Оборудование непрерывного действия для изготовления фанерных труб

Рубрика Техника и технологии

Фанерные трубы, изготовленные методом рулонной навивки и состоящие из нескольких слоев шпона, склеенного в различных сочетаниях синтетическими клеями, имеют огромный спрос в различных отраслях народного хозяйства страны. Они используются в целлюлозно-бумажной и лесной отраслях, на предприятиях горнорудной, пищевой, гидролизной, нефтяной, металлургической, машиностроительной, электромеханической промышленности, в сельском и коммунальном хозяйствах.

Фанерные трубы используются главным образом для сооружения всевозможных технологических и хозяйственных трубопроводов для транспортировки жидкостей, газов, сыпучих материалов, а также жидкостей с механическими примесями.

Однако существующее производство фанерных труб является крайне отсталым.

Анализ состояния вопроса показал острую необходимость радикального совершенствования технологического процесса, а также самих изделий, т. е. конструкции фанерных труб.

Процесс склеивания шпона сопровождается сложными физико‑химическими явлениями при взаимодействии связующего и древесины. Правильное понимание этого процесса, а также явлений массо- и теплообмена, компонентов деформирования и реологии требует применения специальных знаний и технологий.

При использовании оборудования непрерывного действия для прессования древесных материалов явления, сопровождающие процесс пьезотермообработки, имеют более сложные закономерности, связанные с особенностями передачи и распределения давления и теплового поля. Горячее прессование характеризуется активацией теплообмена, а также изменениями плотности и реологических свойств древесного материала. Стабилизация этих процессов свидетельствует об окончании формирования материала. Поэтому особенно важным является анализ взаимодействия прессующих органов с обрабатываемым материалом в прессах непрерывного действия (валковых, ленточно-валковых, роторных), т. к. давление прессования здесь имеет пульсирующий характер, что влияет на напряженное состояние материала.

Знание свойств древесины, термодинамических процессов, а также обоснование расчета нагрузок на рабочие органы прессов позволяет провести оптимизацию как конструктивных параметров оборудования, так и качества изготовляемого материала. При изготовлении фанерных труб методом рулонной навивки двухслойной фанеры происходит как создание, так и разрушение клеевых связей. Межмолекулярное взаимодействие клея и древесины, отверждение связующего, приводящее к формированию соединения материала в целом, сопровождаются деформированием склеиваемых веществ, образованием парогазовой смеси. Использование пульсирующего давления требует серьезных теоретических и экспериментальных исследований физико‑механических свойств фанерных труб и введение новых качественных характеристик для оценки этих свойств.

Знание закономерностей пъезотермообработки в прессах непрерывного действия дает возможность обосновать технологию и параметры оборудования для изготовления фанерных труб и других древесных материалов, являющихся, на наш взгляд, перспективной продукцией.

Анализ состояния проблемы производства, эксплуатации и спроса на фанерные трубы, а также проведенные социологические исследования показывают, что данная продукция является необходимой во многих отраслях народного хозяйства страны.

Опытная установка для изготовления конических фанерных труб

Изготовление фанерных труб из заготовок осуществляется на установке УФТ-300, изготовленной по проекту Санкт-Петербургской Государственной Лесотехнической Академии. Оборудование разрабатывалось как перспективная система, без наличия заказа со стороны промышленности. Конструкция универсального станка для рулонной навивки фанерных труб основана на принципиально новой кинематической схеме. Оправка установки УФТ-З00 закреплена жестко и не является съемной деталью. Она выполнена обогреваемой, что исключает применение автоклавов для прогрева заготовок. Три прижимных валка, расположенные радиально вокруг оправки, также снабжены нагревательными элементами.

Проектом предусмотрены два варианта навивочного станка.

Вариант А. Установка с применением пневматического наддува поверхности оправки.

Установка состоит из станины, на которой в подшипниках консольно закреплена коническая оправка с наружным диаметром 300 мм. Вращение оправки осуществляется от привода на цилиндрическое зубчатое колесо, жестко соединенное с оправкой. Оправка имеет частоту вращения 0,5 0,7 м/мин.

Консольная оправка выполняется обогреваемой. Температуру оправки 200−220°С обеспечивают термоэлектрические элементы диаметром 13 мм, расположенные в обоймах внутри цилиндрической оправки. Подача напряжения на ТЭН осуществляется специальным устройством.

Кроме системы электроподогрева, внутри оправки размещена система пневмонаддува, включающая систему трубопроводов и клапанов, рабочие контакты которых выведены на наружную поверхность оправки. Нормальное положение клапанов − закрытое. Пневмосистема заканчивается шестью каннелюрами на поверхности оправки. В каждой каннелюре имеется три клапана подвода сжатого воздуха под давлением 3…4 атм. По длине трубы расположено 18 клапанов.

Вокруг оправки по дуге окружности через 120° установлены прижимные валки, имеющие автономную систему подогрева до 200−240°С от термоэлектрических нагревателей. Валки имеют ручной привод перемещения в радиальном направлении.

Установка снабжена также устройством съёма готовых изделий, включающим два механизма: механизм съёма труб и механизм аварийного съёма труб.

Механизм съёма труб имеет рычажные захваты, которые перемещаются с помощью ходового винта, вращающегося от самостоятельного привода. Зажим рычажных захватов осуществляется вручную поворотом штурвального колеса.

Механизм аварийного съема труб состоит из кольцевой втулки, одетой на оправку и в исходном положении расположенной рядом с приводным колесом оправки. Втулка связана тягами с ходовым винтом. Кроме того, устройство снабжено вертикальным поддерживающим домкрат-люнетом, контактирующим с оправкой в ее хвостовой части в период навивки труб. Люнет убирается при выполнении операции съёма труб. Кроме того, устройство снабжено механизмом перегрузки готовых труб на ложемент. Перегрузка осуществляется от ручного привода.

Установка УФТ-300, выполненная по варианту, А, работает следующим образом. Заготовки укладывают в стопу на столе, расположенном вдоль оправки станка для навивки труб.

Первую заготовку, на которую клей нанесен по всей длине, но лишь на половину ширины, подают в станок ненамазанной клеем стороной. При подаче заготовку пропускают через щелевидные с раструбом направляющие для выравнивания гофр.

Установив первую заготовку в направляющих, включают привод вращения оправки.

Заготовку подают под верхний прижимной валок. За счет сил трения между валком и оправкой, заготовка огибает последнюю. Движение заготовки по дуге обеспечивается роликовыми прижимами, расположенными в пространстве между прижимными валками.

После прохождения кромкой заготовки зоны контакта второго прижимного валка, последний опускается на заготовку (ручная операция) и поджимается к оправке. Аналогичная операция осуществляется под третьим прижимным валком. Следует отметить, что все три прижимные валка выполнены подпружиненными.

Вращение оправки происходит до тех пор, пока из-под первого верхнего прижимного валка остается свободным конец заготовки длиною 30−35 мм. При достижении этого параметра вращение оправки прекращается и осуществляется подача второй заготовки в пространство между оправкой и свисающей кромкой первой заготовки. Подача второй заготовки осуществляется также через щелевидные направляющие до упора кромки заготовки в оправку. Подача последующих заготовок осуществляется аналогично подаче второй заготовки.

Для закрепления конца последней заготовки вращение оправки прекращают в момент, когда этот конец находится под верхним прижимным валком. В таком положении заготовку выдерживают до прочного приклеивания конца последней заготовки к навитой трубе. Время выдержки − 1‑1,6 мин.

По окончании выдержки производится зажим торца навитой трубы рычажными захватами, которые подводятся к оправке за счет вращения ходового винта. Зажим торца осуществляется вручную.

Перед операцией съёма трубы с оправки прижимные валки отводятся от навитой трубы на 5−7 мм в радиальном направлении.

Для обеспечения съёма трубы с оправки рычажными захватами в полость между оправкой и трубой через систему клапанов по трубопроводам, расположенным внутри оправки, подается воздух под давлением 3−4 атм. После осуществления пневмонаддува рычажные захваты от усилия ходового винта осуществляют перемещение трубы с оправки на ложемент, с которого труба скатывается на позицию токарной обработки.

В случае невозможности съёма трубы с оправки (пригорание клея, нештатная навивка и т. д.) используется механизм аварийного съема. Втулка съёма соединяется тягами с кареткой основного ходового винта, повторяется пневмонаддув, и съём трубы осуществляется обычным порядком. Схема устройства, описанного выше, приведена на рис. 1‑2. Расшифровка позиций рисунков дается ниже.

Устройство для изготовления фанерных труб содержит оправку 1, закрепленную консольно в подшипниках на станине 2 и вращающуюся от электродвигателя 3 посредством зубчатой передачи 4. В полости оправки 1 размещена система пневмонаддува с трубопроводом 5, клапаном 6 и отсечным краном 7, а также система термоэлектрического подогрева 8. Вокруг оправки 1 на станине 2 закреплены прижимные валки 9, которые контактируют с заготовкой трубы 10 и также снабжены системой термоэлектрического подогрева 6. Прижимные валки 9 имеют возможность радиального перемещения при увеличении толщины свиваемой заготовки. Кроме того, за счет вращения винта 11, связанного с траверсой 12, прижимные валки 9 на направляющих 13 имеют рациональное перемещение в период съёма фанерных труб 10 с оправки 1. Прижимные валки 9 расположены по окружности через 120°.

Устройство снабжено рычажными захватами 14, которые смыкаются на заготовке 10 за счет усилия винта 15 и перемещаются в продольном направлении от ходового винта 16, привода 17, связанного с винтом 16 зубчатыми колесами 19 и 18. Между нижними прижимными валками расположены термоэлектрические элементы 8, заключенные в кожухе 20.

Вариант Б. Установка с использованием оправки переменного диаметра.

Принцип работы устройства остается прежним, изложенным в варианте А. Заготовки одна за другой с приемного стола через щелевидные направляющие подаются на оправку, поджимаются тремя обогревающимися валками, а по окончании процесса навивки конец последней заготовки удерживается под верхним прижимным валком до момента прочного приклеивания к свитой трубе.

Отличие варианта Б от варианта, А в выполнении операции съема готовых труб с оправки.

По второму варианту после окончания операции склеивания трубы от усилия гидроцилиндра срабатывает рычажная система, обеспечивающая уменьшение диаметра на 5−10 мм. В этом случае оправка выполняется разрезной.

Некоторое усложнение конструкции оправки оправдывается более надежным выполнением операции съема труб, а также конструкция упрощает операцию закрепления первой заготовки свиваемой трубы на барабане (подача в зазор между подвижными частями оправки торца первой заготовки). Кроме того, возникает возможность отказаться от системы пневмонаддува или, сохранив ее в устройстве, использовать пневмонаддув как систему аварийного снятия готовых труб с оправки.

Конструкции конической оправки для фанерных труб

Изготовление конических фанерных труб повышенной длины (L = 5000) связано с решением вопроса их соединений в трубопровод. Эти соединения не требуют использования специальных муфт и приспособлений.

Использование конической оправки для производства фанерных труб упрощает процесс съёма готового изделия с оправки. В связи с этим произведена разработка специальной конической оправки, состоящей из восьми секций, образующих поверхность усеченного конуса. Секции закреплены на центральном валу оправки и имеют механизм для одновременного перемещения в радиальном направлении. Это позволяет изменить диаметр конической оправки, что облегчает процесс съема фанерной трубы.

Оправка представлена в виде усеченного конуса с максимальным диаметром 320 мм. Диаметр образован из восьми подвижных секций, которые перемещаются по направляющим, закрепленным на основании неподвижно относительно оси оправки. Перемещение секций по направляющим осуществляется с помощью рычажного механизма через кулачковый механизм.

В процессе навивки фанерной трубы консольную часть оправки поддерживает подвижная опора (домкрат-люнет). Обогрев центральной оправки производится специальными ТЭН-ами, закрепленными внутри оправки.

Коническая оправка является основным узлом для изготовления фанерных труб и ее конструкция должна обеспечивать режимы работы всех механизмов установки в следующих пределах:

Кроме всего сказанного, конструкция оправки позволит при необходимости произвести ремонт или заменить изношенные детали, а также пpоизводить профилактические работы.

Установка для изготовления конических фанерных труб

Разработка проекта установки для изготовления конических фанерных труб длиною 5 метров производилась кафедрой теории механизмов, деталей машин и подъёмно-транспортных устройств СПбЛТА совместно с опытным заводом котлотурбинной промышленности (ЦКТП).

Установка УФТ-300 (рис. 3) представляет собой комплексный агрегат, выполняющий все основные технологические (кроме подготовительных) операции по изготовлению конических фанерных труб.

Представленный проект установки включает механизм привода, центральной оправки, прижимные обогреваемые валки, смонтированные на станине. При выполнении процесса навивки использована дополнительная поддерживающая шарнирная опора. Для перемещения прижимных валков использован механизм.

Для съёма готовой фанерной трубы используется лебедка, которая перемещает фанерную трубу по направляющим. Центральная оправка обогревается ТЭНами через устройство 9.

Для регулирования величины линейного давления верхнего прижимного валка используется дополнительное прижимное устройство.

Установка УФТ-300 позволяет соединить в единый технологический процесс такие основные операции, как соединение фанерных листов, отверждение связующего и соединение звеньев труб в единую трубу длиной 5 метров, а также не производить фанерные муфы.

В целях дальнейшего совершенствования установки разрабатывается дополнительное съёмное устройство для механической обработки торцов фанерной трубы. Это устройство в виде специальной фрезерной головки обрабатывает торцы фанерной трубы после ее изготовления (и необходимой выдержки для отверждения связующего) непосредственно на центральной оправке. Это позволит установку УФТ-300 сделать более универсальной.

Изготовление фанерных труб методом рулонной навивки двухслойной фанеры в первую очередь определяется формированием клеевых соединений в процессе навивки, что включает в себя комплекс технологических операций, направленных на получение изделий, отвечающих определенным требованиям. Процессы, определяющие пьезотермическую обработку фанерных труб и сопровождающие отверждение связующего в прессах непрерывного действия, довольно многообразны. Поэтому перед нами встает вопрос исследования процесса формирования клееных слоистых материалов как сложной взаимосвязанной системы.

Общепризнанными оценками качества клееных материалов из древесины являются прочность соединения, определяемая при скалывании по клеевому слою и изгибе образцов, а также точность изготовления конечного продукта при минимальных затратах сырья, материалов и трудовых ресурсов. Однако при определении физико‑механических свойств фанерных труб нами сделана попытка использования новой характеристики качества − модуля изгиба.

Одним из основных технологических факторов, влияющих на качество клееных материалов, является давление прессования, способствующее формированию соединения путем создания контакта между склеиваемыми поверхностями, клеем и древесиной. Как известно, установление закона изменения давления при склеивании шпона связано с качеством изделий, и оно должно быть равным релаксирующим напряжениям в пакете шпона в каждый момент его прессования.

Используя ранее выполненные исследования, нами была проанализирована и доказана возможность использования пульсирующего давления при формировании клеевых соединений.

Прочность клееной слоистой древесины зависит не только от качества формирования клеевого соединения, структуры материала и др., но и от правильности методов ее расчета.

Описанное в статье оборудование в большинстве своём носит характер экспериментальной разработки. Это перспективная система для непрерывного прессования. В случае заинтересованности представителей промышленности данным видом разработок Санкт-Петербургская Государственная Лесотехническая Академия готова к сотрудничеству в области дальнейшей разработки и проектирования перспективного оборудования непрерывного действия вообще и установки УФТ-300 − в частности.

Проф., д. т. н. В. В. СЕРГЕЕВИЧЕВ, Д. В. СЕРГЕЕВИЧЕВ