Пиление древесины цепными пилами

Пути уточнения методики расчета энергоемкости процесса

Поперечное пиление древесины цепными пилами - неотъемлемая составляющая большинства технологических операций лесозаготовительного производства. Исследованию процесса пиления древесины, в частности определению энергоемкости этого процесса, посвящено немало научных работ.

Интерес исследователей, на наш взгляд, определяется следующим. Исходя из рассчитанного значения потребляемой мощности можно обосновать установленную мощность двигателя пилы, которая является одним из важнейших параметров при компоновке систем машин для лесозаготовок.

Нужно отметить еще одно обстоятельство, делающее вопрос определения энергоемкости пиления древесины цепными пилами актуальным: в последние годы все большее внимание уделяется экологическому и энергетическому аспектам лесозаготовительного производства. К традиционным критериям оптимальности технологического процесса лесозаготовки, таким как минимизация стоимости заготовки древесины, повышение производительности труда, добавляется такой критерий, как минимизация удельных энергозатрат на заготовку древесины. Универсальным показателем качества процесса лесоэксплуатации является энергетическая эффективность, определяемая как разность между энергоемкостью продуктов лесопользования и затратами энергии на все фазы получения продуктов лесопользования. Очевидно, что при этом для выбора оптимальной технологии заготовки древесины необходима четкая оценка затрат энергии на стадии выполнения каждой технологической операции, сравниваемых на предмет оптимальности технологических процессов.

Отечественными учеными предложены довольно простые зависимости, позволяющие на практике определить сопротивление резанию и мощность, потребляемую при поперечном пилении древесины цепными пилами, в зависимости от характеристик предмета труда (породы древесины, ее состояния, температуры T и абсолютной влажности W), характеристик пропила (ширины b и высоты пропила H), а также параметров, относящихся к пиле (шага зубьев цепи t_З, времени работы без заточки T_r) и процессу пиления (скорости резания v, скорости подачи пилы u).

Сопротивлением резанию называется усилие, равное по абсолютной величине и противоположное по направлению силе резания Р_р. Величина Р_р, определяется по формуле

где k - удельная работа резания, Дж/м³; b - ширина пропила, м; Н - высота пропила (проекция длины пропила на плоскость, перпендикулярную направлению подачи), м; u - скорость подачи, м/с; v - скорость резания, м/с.

Потребная мощность (N_р), Вт, двигателя привода пилы с учетом кпд передачи (η) может быть определена по формуле

Методика работы с предложенными зависимостями следующая: исходя из ширины b и величины подачи на зуб u_Z определяют основное значение удельной работы резания при пилении k₀ по формуле

Отметим, что в прикладной теории измельчения рассматривается ряд закономерностей, связывающих затраченную на измельчение материала работу и степень его измельчения (соотношение средневзвешенной фракции материала до и после измельчения). Принимая во внимание зависимость состава фракции опилок от подачи на зуб пилы, можно предположить целесообразность применения положений прикладной теории измельчения к исследованию энергоемкости поперечного пиления древесины. Однако, поскольку в настоящее время нет опубликованных систематизированных результатов исследований фракционного состава опилок в зависимости от подачи на зуб пилы, возможность применения этих положений может обсуждаться лишь после получения сведений в результате проведения дополнительных экспериментов.

После определения основного значения удельной работы резания при пилении определяют удельную работу резания при пилении k с использованием поправочных коэффициентов на породу (a_П), влажность (a_W) и температуру древесины (a_T), затупление пильной цепи (a_ρ).

Таблица 1. Основное значение удельной работы резания при
пилении древесины цепными пилами


Таблица 2. Сравнение результатов расчетов основных значений
удельной работы резания

Авторы учебника лесных инженеров* предлагают график (рис. 1) и таблицу (табл. 1) для определения основного значения удельной работы резания, указывая их как альтернативу формуле (1).

Сравним результаты расчетов по формуле (1) с данными рис. 1 и табл. 1 (см. рис. 2).

Результаты сравнения расчетных значений представлены в табл. 2.

Анализ результатов сравнения показывает, что расчетные основные значения удельной работы резания, полученные по разным методикам, существенно отличаются.

Рассмотрим важность расчета основного значения удельной работы резания при планировании расходов предприятия, для чего оценим процентные отклонения основных значений удельной работы резания в денежном эквиваленте.

Допустим, на лесосеке бригада, оснащенная тремя бензиномоторными пилами, выполняет валку деревьев, очистку стволов от сучьев и раскряжевку. Примем расход бензина при работе одной пилы на лесосеке - 1,08 л/ч, комплексную часовую производительность - 3,5 м³/ч. Тогда получим, что на заготовку 1 м³ древесины будет затрачено приблизительно 0,93 л бензина. При годовом объеме заготовки 100 тыс. м³ древесины расход бензина составит 93 000 л. Поскольку расход бензина зависит в основном от потребляемой на пиление мощности, уместно предположить прямо пропорциональную зависимость основного значения удельной работы резания от расхода топлива.

Тогда, в зависимости от основного значения удельной работы резания, вариации планируемого расхода топлива будут составлять 20%, т. е. 18 600 л, то есть при цене 1 л бензина 35 руб. неточность расчета может составить 651 000 руб. На наш взгляд, эта цифра значительна. Еще раз подчеркнем, что речь здесь идет лишь о планировании производственных затрат.

Относительно расчета удельной работы резания с помощью поправочных коэффициентов проф. Борис Залегаллер, который с 1962 по 1981 год был зав. кафедрой механизации лесоразработок (ныне кафедра технологий лесозаготовительных производств - ТЛЗП) в ЛТА, прямо указывает, что эта методика «...неточно отражает влияние отдельных факторов на величину k, так как, например, изменение влажности различных пород по­-разному сказывается на величине удельной работы резания...».

Если принять во внимание связь между модулем деформации древесины и пределом ее прочности с температурой, плотностью, породой и влажностью, то приведенное выше мнение подтвердится в контексте общей теории измельчения и механики разрушения, связывающей работу, затрачиваемую на измельчение (разрушение), с модулем деформации материала.

Таблица 3. Модуль упругости при
сжатии поперек волокон,
поправочный коэффициент на
породу при пилении древесины

Поясним это на примере, для чего рассмотрим данные табл. 3 и графика на рис. 3.

Рассчитанное значение коэффициента линейной корреляции r² = 0,93 свидетельствует о тесной пропорциональной связи k_П и модуля упругости E, дополнительно это подтверждается близким к единице коэффициентом детерминации R² = 0,9915 аппроксимирующей зависимости для k_П:

Отметим недостаток сведений о влиянии температуры и влажности древесины на ее способность сопротивляться деформированию, что делает невозможным дальнейшее развитие методов расчета энергоемкости процесса поперечного пиления древесины.

Не проводились исследования влияния поправочных коэффициентов на условия пиления. Поправка на затупление зубьев пилы дается только по времени работы без заточки (продолжительности упряга пилы), без учета материала зубьев и древесного материала, подвергающегося распиловке.

Поправочный коэффициент а_r определяется по формуле

где Т_r - число часов работы пилы после заточки.

В мороз при распиловке твердых пород зубья будут тупиться быстрее. При этом близко к линейному закону будет расти сила отжима пилы, а значит и сила сопротивления перемещению цепи по шине.

Поправку на отрицательную температуру древесины учитывают, используя уравнение

где Т - абсолютное значение отрицательной температуры, °С.

Выражение (6) совершенно не учитывает влажность древесины, хотя очевидно, что в мороз влага, содержащаяся в ней, будет образовывать ледяной скелет, существенно увеличивающий силу сопротивления резанию.

В поправочные коэффициенты условий пиления не входит поправка на скорость резания пилой, в отличие от методики расчета резания резцом. Например, при расчете фрезерных и строгальных станков. Это упрощение методики расчета удельной работы резания при пилении также нельзя признать корректным, поскольку в настоящее время все большее распространение получают высокоскоростные безредукторные бензиномоторные пилы, а также высокооборотистые гидравлические приводы пильных гарнитур лесозаготовительных машин с малой подачей на зуб и высокой скоростью резания. Установлено, что при больших скоростях резания перед лезвием зуба в разрушаемых клетках древесины возникает эффект, аналогичный гидравлическому удару. Под воздействием удара стенки клеток древесины уплотняются и разрываются. В связи с весьма малой сжимаемостью влаги в клетках древесины возникает эффект повышения твердости материала перед лезвием зуба пилы. При этом качество формируемой лезвием поверхности невысоко в связи с тем, что волокна древесины разрушаются не только на лезвии пилы, но и перед ним, причем имеют место объемные, неупорядоченные разрушения. Кроме того, при высоких скоростях резания под действием сил трения лезвие сильно нагревается, что может привести к мгновенному вскипанию жидкости в клетках, соприкасающихся с лезвием, что также будет способствовать неупорядоченным разрушениям структуры древесины и увеличению сил сопротивления резанию. Это, в свою очередь, приведет к увеличению скорости затупления лезвия зуба и уменьшению величины допустимого упряга пилы.

Касательно влияния плотности воздушно­-сухой древесины на ее упругие постоянные, можно отметить характер связи указанных величин, близкий к линейному.

В свете изложенного дальнейшие исследования энергоемкости процесса поперечного пиления древесины пильными цепями с использованием положений общей теории измельчения и механики разрушения представляются актуальными для теории и востребованными в практике лесозаготовительных предприятий.

Игорь ГРИГОРЬЕВ, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой ТЛЗП СПбГЛТУ,
Егор ХИТРОВ, Юрий ВЛАСОВ, аспиранты кафедры ТЛЗП СПбГЛТУ,
Виктор ИВАНОВ, д-р техн. наук, проф.,
зав. кафедрой лесных машин и оборудования
лесопромышленного факультета Братского государственного университета