Воронеж, Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
Процессы бесстружечного деформирования древесины посредством силового поля менее трудоемки и не связаны со значительными энергозатратами и безвозвратными отходами, как при обработке такой древесины стружечным резанием. Для определения усилия разрезания на лабораторной установке был проведен факторный эксперимент для двух основных факторов: диаметра окружности резания и угла заострения дискового ножа. Затем, для оценки дисперсии, характеризующей ошибку эксперимента была поставлена отдельная серия опытов из 5-ти в центре плана, т.е. в условиях, когда каждый фактор варьируется на основном уровне. Получена математическая модель в натуральных значениях факторов для силового деформирования диском древесины. Далее исследовались следующие влияющие факторы: толщина древесины и скорость подачи. Анализ полученного уравнения регрессии указывает на то, что толщина разрезаемой заготовки оказывает основное влияние на мощность резания, что накладывает ограничение на скорость подачи. Следующий 4-х факторный эксперимент позволил выявить совместное влияние названных факторов, а также влажности древесины и длины реза на качественные показатели процесса разрезания дисковыми ножами. Анализ адекватности полученного уравнения регрессии показал его высокую точность и позволил выявить влияния доминирующих внешних факторов на качество разделяемых поверхностей
разрезание, мягкие породы, дисковые ножи, силовое деформирование, факторный эксперимент
Введение
В настоящее время в деревообработке широко используются малоценные и быстрорастущие породы древесины мягких пород, таких как, тополь, осина, ольха а также, сосна, которую тоже можно отнести к мягким породам древесины [1-4]. Обработка такой древесины традиционным делительным инструментом – пилами, достаточно энергоемка и требует дополнительного снижения шероховатости с использованием процессов фрезерования и шлифования [3-5]. Кроме того, в процессе обработки таким инструментом, до 30% деловой древесины отходит в опилки и стружку [1-5]. Основы бесстружечного деления заложенные основоположником процессов прессования древесины П.Н. Хухрянским [1] использованы для разработки дисковых ножей. Их конструкции разрабатывались с учетом свойств самой древесины мягких пород. Использование в процессах разрезания древесины дисковых ножей позволят снизить уровень пыли в процессе обработки, повысить качество разделяемых поверхностей, а также, значительно снизить энергоемкость процессов деления древесины.
Повысить производительность процессов разрезания дисковыми ножами возможно только при безусловном обосновании режимов резания ими, а именно: выявить оптимальные значения доминирующих внешних факторов, позволяющих получить высококачественную поверхность реза с меньшей энергоемкостью [5-10].
Почти все современные исследования процессов разрезания древесины производились с учетом статических нагрузок, хотя деформативно-прочностные свойства древесины мягких пород значительно меняется при динамическом нагружении.
До настоящего времени не выявлены влияющие факторы на процесс силового деформирования древесины дисковыми ножами, а также степень их влияния на силовые и качественные показатели процесса разрезания древесины мягких пород [10-14].
Материалы и методы
В исследованиях использовались заготовки из древесины мягких лиственных пород, лабораторная установка на основе заточного станка и позиционные круглопильные станки типа КС-2. В лабораторных условиях поставлен двухфакторный эксперимент с использованием дисковых ножей с различными углами заострения и диаметрами [1]. Поставлен 2-х факторный эксперимент ПФП 23.
Подготовка задачи к решению на ЭВМ проводилось по стандартной подпрограмме, методом наименьших квадратов.
Для оценки дисперсии, характеризующей ошибку, поставим отдельную серию из пяти опытов в центре плана, т.е. в условиях, когда каждый фактор варьируется на основном уровне. Вычисление велось по стандартной задаче минимизации функции. Входные параметры программы:
1) EPS – точность вычислений 0,0001; 2)Изменение параметров x1 и x2:
x 1=200…400; x2=30…60.
Чтобы убедиться в воспроизводимости процесса и уменьшении погрешности модели, каждый из 9 опытов повторялся трижды, и для каждой серии опытов вычислялось среднее арифметическое значение (столбец 10 таблица 1).
При планировании эксперимента по выявлению шероховатости поверхности пиломатериалов, полученных при продольном делении древесины осины, в качестве переменных было выбрано четыре фактора: влажность древесины W, %; высота заготовки Н, мм; подача на зуб Vs, мм; длина разреза L, м. Резание проводилось диском с двумя радиусами резания. Влияющие факторы выбирались на основе метода экспертных оценок 100 пользователей.
Результаты и обсуждение
Полученная математическая модель представляется в виде: (1)
Модель в натуральных значениях факторов:
(2)
На рис. 1 представлены графики зависимостей Fx=f(х1) и Fx=f(х2) при стабилизации факторов х1 и х2 на 2х уровнях: экстремальном и нулевом. Из графиков видно, что наименьшее значение усилия резания достигается с применением дереворежущих дисков, имеющих угол заострения 45° и диаметр 4300 мм при толщине диска равной 5 мм. Подготовка задачи к решению на ЭВМ проводилась (по стандартной подпрограмме, методом наименьших квадратов).
Регрессионную модель можно представить в виде:
(3)
или:
(4)
где: f0, f1, fк - базисные функции.
|
D[мм] D[mm] |
|
Усилие резания Fx, кН | Cutting force Fx, kN |
Угол заострения β, град.
экстремальный и нулевой уровни варьирования
Sharpening angle β, deg.
extreme and zero levels of variation
Рисунок 1. Графики зависимостей Fx=f(x1); Fx=f(x2)
Figure 1. Graphs of dependencies Fx=f (x1); Fx=f (x2)
Источник: собственная композиция автора
Source: author composition
В результате получена: итоговая математическая модель объекта – процесса силового деформирования древесины мягких пород в натуральных значениях факторов:
(5)
где: Х1-диаметр режущего диска, D,мм:
2300 ≤ x1 ≤ 400
Х2 - угол заострения, град:
30 ≤ x2 ≤ 60
Для исследования итоговой модели объекта составлена программа для расчета на ЭВМ и далее проводилось математическое моделирование процесса на ЭВМ [1]. В результате выполнения программы получены графики изменения усилия резания (у) от переменных x1 и x2. В каждом из графиков была зафиксирована величина x2 и происходило изменение лишь по x1 в диапазоне 200…400мм при x2=30,45,60 градусов.
В результате выполнения программы были получены оптимальные значения переменных:
x1=39210.0034 (мм) - диаметр диска;
x2=43.0011 (град.) - угол заострения;
Теоретическая кривая рассчитана на ЭВМ для заданных условий разрезания, экспериментальная получена на станке КС-2.
Экспериментальные исследования подтвердили адекватность математической модели контактного взаимодействия инструмента с древесиной. Величина контактного давления установлена посредством расчетов из усилия резания, определенного с помощью комплекса К-50. Расхождение между расчетными и реальными значениями не превзошло 5%. На графиках (рисунок 2) представлена экспериментальная кривая, полученная при разрезании заготовок из древесины ольхи.
|
Контактное давление P, Н/мм2 Contact pressure P, N/mm2 |
|
Толщина заготовки Н, мм Workpiece thickness H, mm |
Рисунок 2. Зависимость контактного давления между диском и древесиной от толщины заготовок древесины ольхи: 1-теоретическая кривая;
2-экспериментальная
Figure 2. Dependence of the contact pressure between the disc and the wood on the thickness of alder wood blanks: 1-theoretical curve; 2-experimental
Источник: собственная композиция автора
Source: author composition
Другими влияющими факторами на процесс разрезания, исходя из результатов анкетирования, явились толщина древесины и скорость подачи заготовки. Разрезалась древесина осины на станке КС-2. Матрица планирования для этих двух факторов и результаты эксперимента представлены в таблице 1. Полученные коэффициенты регрессии оказались значимыми, за исключением коэффициента b11, поэтому в дальнейшем он не учитывался.
Окончательный вид уравнения регрессии:
(6)
Оценка дисперсии адекватности при числе степеней свободы, связанных с дисперсией адекватности fад=4 по критерию Фишера позволила принять гипотезу об адекватности полученного уравнения регрессии.
Например, для второго опыта:
Затем вычислялась оценка дисперсии для каждой серии опытов, с определением разброса значений выходной величины от среднего:
Сумма всех дисперсий:
По критерию Кохрена проверялась однородность дисперсий опытов [9]:
Gтабл> Gрасч [6-10].
Оценка дисперсии:
Таблица 1
Матрица планирования и результаты эксперимента для двух факторов
Table 1
Planning matrix and experimental results for two factors
|
№ п/п | No. p/p |
x0 |
x1 |
x2 |
x12 |
x1 |
|
|
|
|
|
ŷj |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
1 |
+ |
- |
- |
+ |
0,333 |
0,333 |
40 |
6 |
0,43 |
0,38 |
0,33 |
0,16 |
|
2 |
+ |
+ |
- |
- |
0,333 |
0,333 |
80 |
6 |
2,29 |
0,42 |
2,69 |
0,16 |
|
3 |
+ |
- |
+ |
- |
0,333 |
0,333 |
40 |
18 |
1,72 |
0,36 |
1,45 |
0,07 |
|
4 |
+ |
+ |
+ |
+ |
0,333 |
0,333 |
80 |
18 |
12,21 |
0,28 |
12,81 |
0,25 |
|
5 |
+ |
-1 |
0 |
0 |
0,333 |
-0,666 |
40 |
12 |
0,94 |
0,44 |
0,71 |
0,05 |
|
6 |
+ |
+1 |
0 |
0 |
0,333 |
-0,666 |
80 |
12 |
9,72 |
0,52 |
8,75 |
0,94 |
|
7 |
+ |
0 |
-1 |
0 |
-0,666 |
0,333 |
60 |
6 |
1,26 |
0,87 |
2,44 |
1,39 |
|
8 |
+ |
0 |
+1 |
0 |
-0,666 |
0,333 |
60 |
18 |
7,44 |
0,58 |
8,24 |
0,64 |
|
9 |
+ |
0 |
0 |
0 |
-0,666 |
-0,666 |
60 |
12 |
5,35 |
0,36 |
5,34 |
0,0001 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Источник: собственные вычисления автора
Source: own calculations
Таблица 2
Результаты 4-факторного эксперимента
Тable 2
Results of a 4-factor experiment
|
№ п/п| No. p/p |
Влажность древесины W,% | Humidity wood W,% |
Толщина заготовки Н, мм | Thickness blanks H, mm
|
Скорость подачи Sz, мм/зуб | Speed filing Sz, mm/tooth |
Длина реза L, м | Length cut L, m |
Шерохова-тость поверх-ности Rm, мкм | Surface roughness Rm, μm |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
1 |
15 |
10 |
0.6 |
12 |
120 |
|
2 |
30 |
10 |
0.6 |
20 |
130 |
|
3 |
30 |
10 |
1.4 |
12 |
150 |
|
4 |
30 |
20 |
0.6 |
12 |
180 |
|
5 |
15 |
10 |
1.4 |
20 |
130 |
|
6 |
15 |
10 |
0.6 |
20 |
130 |
|
7 |
15 |
20 |
1.4 |
12 |
160 |
|
8 |
30 |
20 |
1.4 |
20 |
180 |
|
9 |
30 |
10 |
0.6 |
12 |
180 |
|
10 |
15 |
10 |
0.6 |
20 |
130 |
|
11 |
15 |
10 |
1.4 |
12 |
130 |
|
12 |
15 |
20 |
0.6 |
12 |
160 |
|
13 |
30 |
10 |
1.4 |
20 |
150 |
|
14 |
30 |
10 |
1.4 |
12 |
130 |
|
15 |
15 |
10 |
1.4 |
20 |
140 |
|
16 |
30 |
15 |
0.6 |
20 |
130 |
|
17 |
7.5 |
15 |
1.0 |
16 |
120 |
|
18 |
37.5 |
15 |
1.0 |
16 |
220 |
|
19 |
22.5 |
15 |
1.0 |
8 |
200 |
|
20 |
22.5 |
15 |
1.0 |
24 |
230 |
|
21 |
22.5 |
15 |
0.2 |
16 |
120 |
|
22 |
22.5 |
15 |
1.8 |
16 |
180 |
|
23 |
22.5 |
5 |
1.0 |
16 |
160 |
|
24 |
22.5 |
25 |
1.0 |
16 |
210 |
|
25 |
22.5 |
15 |
1.4 |
16 |
150 |
Источник: собственные вычисления автора
Source: own calculations
Анализ количественного влияния коэффициентов уравнения регрессии указывает на то, что толщина разрезаемой заготовки оказывает почти прямо пропорциональное влияние на выходную величину(мощность резания), что и накладывает ограничение на величину скорости подачи, рассчитанной по формуле. Для увеличения скорости подачи необходимо адекватно увеличить мощность привода, но при этом возникает опасность сближения скорости подачи с критической. Поэтому и был поставлен четырехфакторный эксперимент, где дополнительно было выявлено совместное влияние изучаемых факторов, а также влажности древесины и длины резания на качественные показатели процесса резания дисками.
Результаты опытов представлены в таблице 2. Длина трещин измерялась экспериментально (рисунок 3).
Рисунок 3. Опережающее раскалывание древесины
Figure 3. Advance wood splitting
Источник: собственная композиция автора
Source: author composition
Фактические переменные рассчитывались по формулам:
(7)
(8)
(9)
(10)
Полученное уравнение регрессии позволяет регламентировать качество разделяемых поверхностей в зависимости от влияющих факторов:
(11)
Установлено, что в процессах бесстружечного разрезания дисковыми ножами, усилие резания до 30% ниже, чем при делении круглыми пилами. Влажную древесину (более 20%) значительно легче обрабатывать дисковыми ножами, так как усилие резания уменьшается, а влага является «смазкой».
Особое влияние на процесс бесстружечного разрезания дисковым ножом оказывает структура и анатомическое строение древесины, ее пороки и сучковатость. Возникающие трещины при делении древесины диском устраняются с уменьшением высоты заготовки древесины.
Минимальное усилие разрезания получено при резании заготовок сосны толщиной менее 10 мм и влажностью более 50%, что хорошо согласуется с исследованиями других авторов [3-10].
|
Время работы без переточки T, ч Operating time without regrinding, T, h |
|
Мощность на резание, Pp, кВт Cutting power, Pp, kW |
Рисунок 4. Графическая зависимость потребляемой мощности при продольном делении заготовок ольхи, Н=30 мм за время работы без переточки:
1-дереворежущий диск; 2-теоретическая кривая, построенная по формуле (2.72);
3-круглая пила по ГОСТ 9769-79
Figure 4. Graphical dependence of power consumption during longitudinal division of alder blanks, Н = 30 mm during operation without regrinding:1-wood cutting disc; 2-theoretical curve, built according to the formula (2.72);
3-round saw according to GOST 9769-79
Источник: собственная композиция автора
Source: author composition
Результаты экспериментальных исследований представлены графически на рисунках 4 и 5, получены на промышленных станках КС-2 и 3Е642.
Расхождения между эксперименталь-ными и расчётными данными не превышают 5%. Качество разделяемых поверхностей почти прямо пропорционально определяется влажностью древесины (рисунок 5).
|
IШероховатость Rm, мкм Roughness Rm, μm |
Рисунок 5 - Зависимость шероховатости поверхности срезков от влажности древесины сосны:
1 - толщиной менее
Figure 5 - Dependence of the surface roughness of the cuts on the moisture content of pine wood:
1 - less than 10 mm thick; 2 - theoretical curve; 3 - 20 mm thick
Источник: собственная композиция автора
Source: author composition
Таким образом, в процессах бесстружечного разрезания дисковыми ножами древесины мягких пород желательно использовать древесину меньшей влажности.
Выводы (Заключение)
Установлено, что в процессе резания древесины дисковым ножом наблюдается интенсивное трение. Качество обработанных диском поверхностей определяется влажностью и толщиной заготовки, а также, выбранным режимом деления. Шероховатость разделяемых поверхностей почти прямо пропорционально увеличивается с увеличением влажности древесины. Теоретические результаты исследований незначительно (менее 5%) отличаются от экспериментальных
1. Патент № 2726557 РФ, МПК B27B 33/02. Режущий диск для мягколиственной древесины : № 2019107993 : заявл. 20.03.2019 : опубл. 14.07.2020 / Ивановский Владимир Павлович, Платонов Алексей Дмитриевич, Волганкин Александр Михайлович, Недиков Роман Анатольевич ; патентообладатель(и): Во-ронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова. - 2020. - eLIBRARY. - Бюл. № 20.
2. Lulu X, Ye X, Baokang D, Zhangning Ye, Chunde J, Qingfeng S and Xiaohong Yu 2019 In-situ anchoring of Fe3O4/ZIF-67 dodecahedrons in highly compressible wood aerogel with excellent microwave absorption properties. Materials & Design, Volume 182, 2019, 108006, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108006.
3. Zhe Q, Zefang X, Likun G, Jian Li, Haigang W, Yonggui Wa and Yanjun X 2019 Transparent wood bear-ing a shielding effect to infrared heat and ultraviolet via incorporation of modified antimony-doped tin oxide nano-particles. Composites Science and Technology, Volume 172, 2019, Pages 43-48, ISSN 0266-3538, https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2019.01.005.
4. Safin R.R., Khasanshin R.R., Timerbaeva A.L. and Safina A.V. 2015 Study of the physical and energy properties of fuel granules based on a thermomodified wood raw material. Journal of Engineering Physics and Thermophysics 88(4): 958-961. DOIhttps://doi.org/10.1007/s10891-015-1270-y.
5. Патент № 2690879 РФ, МПК B27B 33/08, B23D 61/02; СПК B27B 33/08, B23D 61/02. Круглая пила для древесины с эффектом самозаточки : № 2018145389 : заявл. 19.12.2018 : опубл. 06.06.2019 / Ивановский Владимир Павлович, Платонов Алексей Дмитриевич, Волганкин Александр Михайлович, Недиков Роман Анатольевич ; патентообладатель(и): Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова. - 2019. - eLIBRARY. - Бюл. № 16.
6. Christian Brischke and Lone Ross Gobakken 2020 Protecting wood infrastructure and mass timber build-ings. Wood Material Science & Engineering, 15:6, 325, DOI:https://doi.org/10.1080/17480272.2020.1799242.
7. Rahayu, Istie & Darmawan, Wayan & Zaini, Lukmanul & Prihatini, Esti. 2019 Characteristics of fast-growing wood impregnated with nanoparticles. Journal of Forestry Research. 31. 1-9.https://doi.org/10.1007/s11676-019-00902-3.
8. Fomin A.A. 2013 Vibrational Motion of a Complex Mill under the Action of the Cutting Force. Russian Engineering Research. 2013. Vol. 33. № 1, pp. 57 - 60.Grün K. Lexikon tropickycн Drevin -Prace yyud Sv1/(1971)-Praha -332S.
9. Sadrtdinov A.R., Safin R.G., Timerbaev N.F., Ziatdinova D.F. and Saprykina N.A. 2016 The development of equipment for the disposal of solid organic waste and optimization of its operation IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 142(1), 012095. DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/142/1/012095.
10. Шамаев В.А., Паринов Д.А. и Полилов, А. 2018 Исследование подшипников скольжения из мо-дифицированной древесины для высоконагруженных узлов трения. Журнал машиностроения и надежности. 47. 168-172. 10.3103 / S1052618818020115.
11. Shamaev V, Parinov D and Medvedev I 2018 Wood Modification by Pressing. Engineering Studies, Is-sue 3 (2), Volume 10. Taylor & Francis, 2018. 708-718 pp.
12. Shamaev V, Parinov D and Medvedev I 2018 Study Of Modified Wood As A Bearing Material For Ma-chine-Building. International Conference on Aviamechanical Engineering and Transport (AviaENT 2018), Ad-vances in Engineering Research, volume 158, 478-482 pp.
13. Shamaev V, Medvedev I, Parinov D, Shakirova O and Anisimov M 2018 Investigation of modified wood as a material power transmission pole produced by self-pressing method. Acta Facultatis Xylologiae Zvolen, volume 60, № 2, 2018, 25-32 pp. DOI:https://doi.org/10.17423/afx.2018.60.2.02
14. James A. Brient, Mark J. Manning and Mike H. Freeman 2020 Copper naphthenate - protecting Ameri-ca’s infrastructure for over 100 years and its potential for expanded use in Canada and Europe, Wood Material Science & Engineering, 15:6, 368-376, DOI:https://doi.org/10.1080/17480272.2020.1837948
