Особенности стружкообразования на бревнопильных линиях при пилении круглыми пилами. Часть 1

Надеемся, что предложенные автором способы решения проблем, которые возникают при пилении круглыми пилами на бревнопильных линиях, будут интересны специалистам, работающим на средних и крупных лесопильных заводах, где эксплуатируется разное фрезерно-брусующее и фрезерно-пильное оборудование.

Рис. 1. «Сливная» стружка, образовавшаяся в процессе пиления на
многопильном двухвальном круглопильном станке

На предприятиях, где помимо пиломатериалов производится технологическая щепа, периодически или постоянно сталкиваются с проблемой, которая возникает при пилении как на головном бревнопильном, так и на многопильном делительном круглопильном оборудовании, - образованием так называемой сливной стружки длиной 2 м и более вместо опилок (рис. 1). Эта стружка забивает конвейеры и сита сортировок технологической щепы, что приводит к снижению качества и сортности щепы, а также к проблемам в работе основного технологического оборудования, в частности к снижению его производительности. На некоторых заводах эту проблему пытаются решить путем установки разных экранов, монтажа дополнительной аспирации и установки дополнительного конвейерного оборудования для удаления сливной стружки из зоны ее образования. Подобная стружка может образовываться как на головном бревнопильном, так и на делительном круглопильном оборудовании, особенно на двухвальном оборудовании, которое в настоящее время активно используется в лесопилении и позволяет сократить потери древесины в виде опилок за счет применения тонких круглых пил и возможности пиления толстого пиловочного сырья (как правило, до 70 см). Однако эти плюсы двухвального оборудования могут быть сведены на нет из-за образования сливной стружки при пилении, так как себестоимость получаемых пиломатериалов может значительно повыситься.

Основные причины появления сливной стружки

Рассмотрим распределение основных составляющих сил резания в зоне контакта зуба пилы (резца) и древесины при стружкообразовании, а также факторы, оказывающие влияние на процесс пиления разных древесных пород. Отдельное внимание уделим трудностям, связанным с пилением мягколиственных пород, а также хвойной свежесрубленной древесины (особенно в весенне-летний период) и древесины с повышенным содержанием влаги (например, после сплава или мокрого хранения на складах сырья). Также рассмотрим некоторые конструктивные особенности двухвального технологического лесопильного оборудования, влияющие на образование сливной стружки при пилении круглых лесоматериалов. Следует отметить, что при использовании одновальных круглопильных лесопильных станков, особенно с высотой пропила до 100 мм и скоростью подачи не более 60 м/мин., сливная стружка не образуется, и на то есть причины. Подобная стружка образуется только при пилении на определенном оборудовании двухвальной вертикальной конструкции на скорости, превышающей 60 м/мин., причем появление стружки связано с физико-механическими и анизотропными свойствами пиловочного сырья, состоянием и качеством подготовки режущего инструмента, а также с качеством монтажа, наладки и эксплуатации и обслуживания оборудования.

Процесс резания древесины связан с работой на преодоление сил сопротивления, возникающих в зоне контакта зуба пилы (резца) и древесины. Силы сопротивления резанию можно подразделить на три группы:

• силы деформирования древесины, затрачиваемые на упругопластические деформации отделяемой стружки (опилок) и некоторой зоны распиливаемого материала под поверхностью плоскости резания;
• силы трения на гранях резца при контакте со стружкой и поверхностью резания;
• молекулярные силы, возникающие при разделении молекулярных слоев древесины.

Соотношение перечисленных выше групп сил, действующих в зоне резания, меняется при изменении внешних условий. Так, величина сил деформации (сминания волокон и клеток древесины) в зоне резания зависит от степени концентрации напряжений на режущей кромке, то есть от остроты кромки. Значительно меняются силы деформирования и в зависимости от направления, в котором отделяется стружка. При отделении стружки вдоль направления волокон древесины эти силы в определенные моменты пиления могут вообще не воздействовать на режущую кромку, например, когда в распиливаемом бревне образуется опережающая трещина. Появление трещины в значительной степени зависит от угла резания резца и структуры древесины, в том числе от прочности связей между волокнами или годичными кольцами. При отделении стружки по плоскости, находящейся под некоторым углом к волокнам древесины или перпендикулярной им, эти силы достигают максимума. Величина сил деформации стружки зависит в основном от размеров и формы ее поперечного сечения, величины подачи на зуб и ширины пропила, вида и направления ее деформации (то есть от геометрии резца и направления резания), а также от свойств древесины.

На процесс пиления древесины круглыми пилами влияет множество факторов: силы сопротивления, возникающие при трении граней резца и обрабатываемых поверхностей, система сил, действующих на резец, обрабатываемый материал и стружку, и др. Общую картину силового взаимодействия резца, древесины и стружки можно представить лишь теоретически, поскольку рассматриваемый процесс резания - закрытый процесс. С другой стороны, работа, связанная с взаимодействием резца и древесины, определяет расход энергии на осуществление процесса резания, а по величине расхода энергии косвенно можно судить о взаимодействии этих сил.

На обрабатываемость резанием древесины разных пород, помимо свойств самой древесины, оказывают влияние следующие факторы:

• кинематика резания (скорость резания и подачи);
• геометрия и износостойкость материала резца;
• острота главной и вспомогательных режущих кромок резца;
• особенности стружкообразования (древесная пыль, опилки или сливная стружка);
• нагрев резца и обрабатываемой древесины.

Наиболее проблемные породы древесины, свойства которых оказывают влияние на степень обрабатываемости, а также деформации древесины в зоне резания и образование сливной стружки (указаны в порядке снижения остроты проблемы): мягколиственные породы (липа, осина, тополь) и некоторые хвойные породы (ель, сосна), а также некоторые твердолиственные (береза, бук, ясень). Также следует отметить, что образование сливной стружки сильно зависит от агрегатного состояния пиловочной древесины (мороженая, талая, свежесрубленная, подсушенная, сухая). Сливная стружка может образовываться при пилении свежесрубленной древесины перечисленных выше пород, особенно при пилении древесины, заготовленной в весенне-летний период, сплавной или хранившейся с использованием мокрого способа.

Рис. 2. Компоновка двухвального круглопильного многопильного станка,
при которой верхний и нижний пильные шпиндели предназначены для
встречного пиления. Пиление начинает нижний шпиндель


Рис. 3. Компоновка двухвального круглопильного многопильного станка,
при которой верхний и нижний пильные шпиндели предназначены для
встречного и попутного пиления соответственно. Пиление начинает пила,
установленная на нижнем шпинделе

Приступая к пилению древесины той или иной породы, находящейся в том или ином агрегатном состоянии, целесообразно подбирать инструменты с особыми конструктивными, линейными и угловыми параметрами, так как свойства древесины при разных динамических нагрузках, особенно при пилении на скоростных лесопильных линиях, до последнего времени, по сути, не исследованы.

Так, например, известно, что влияние влажности древесины на энергетические показатели процесса резания неоднозначно, особенно в случае мягколиственной древесины. С повышением влажности древесины пределы ее прочности при всех видах разрушения снижаются, что приводит к снижению силы резания. При повышении влажности пиловочной древесины W с 12-15% до влажности свежесрубленной древесины 50-75% силы резания снижаются на 10-20%. С повышением температуры в зоне резания прочность древесины любых пород падает до порога деструкции (разрушения), лежащего в пределах 180-200°С.

Наиболее сильное влияние на процесс образования сливной стружки совместно с вышеперечисленными факторами оказывает изменение толщины стружки, которая в основном зависит от скорости подачи. Агрегатное состояние древесины, нагревание древесины и резца в зоне резания, угловые параметры резца, выбор скорости подачи (подачи на зуб) способствуют образованию сливной стружки, а не опилок.

Нагрев лезвия резца также вызывает дополнительные термические напряжения, которые суммируются с механическими (от сил резания). Так, нагрев стальной (хромованадиевой) пилы выше 700-750°C может привести к ее быстрому затуплению, разрыву или частичному разрушению тела пилы.

Таким образом, можно заключить, что наиболее существенное влияние на процесс резания с образованием сливной стружки оказывают: степень затупления резца в процессе работы, угол заострения (угол резания), шероховатость поверхностей режущих граней резца (передней, задней и боковых граней), выбор неправильной скорости подачи, а также порода древесины и ее агрегатное состояние.

Рис. 4. Компоновка двухвального круглопильного
многопильного станка, при которой пиление начинает
пила, установленная на нижнем шпинделе (встречная
подача)

Рассмотрим степень влияния конструктивных особенностей и пространственного расположения пильных узлов (шпинделей) в двухвальном лесопильном оборудовании на процесс образования сливной стружки. В станках разных производителей, которые используются для круглопильного пиления двумя способами (пиления с попутной подачей, когда скорость вращения пилы и направление подачи сырья совпадают, а также встречного пиления, когда скорость вращения пилы и направление подачи сырья не совпадают), применяются разные компоновки и конструкции пильных шпинделей.

Рассмотрим три наиболее распространенные комбинации пространственного расположения пильных шпинделей в подобных станках. Вариант 1 представлен на рис. 2, варианты 2 и 3 на рис. 3 и рис. 4 соответственно.

Анализ ситуаций с образованием сливной стружки на подобных станках выявил, что сливная стружка образуется:

• при пилении тупыми или плохо заточенными пилами;
• при пилении пилой, установленной на втором шпинделе, отсутствует подпор деформированной древесины в районе дна пропила пилой первого шпинделя из-за конструктивных особенностей оборудования;
• при угловых параметрах пил, в частности угла резания и переднего угла, конфигурации зубьев пил, уширения на сторону, не соответствующих требуемым параметрам пиления;
• при пилении слишком мягкой или водонасыщенной древесины, со сниженной прочностью при пилении;
• при неправильно выбранной скорости подачи;
• при отсутствии подпора древесины в зоне пропила на втором шпинделе.

Рис. 5. Технологическая щепа, засоренная стружкой


Рис. 6. Застрявшая сливная стружка на сортировочных ситах для щепы

В случае отсутствия подпора древесины при пилении вторым шпинделем ослабленная и деформированная часть древесины в виде тонкой сливной стружки не перерезается зубьями пилы этого шпинделя, а выдавливается зубьями из зоны пропила и падает на конвейер для удаления отходов или зависает на деталях и частях головного оборудования. Длина этой стружки в основном зависит от прямослойности древесины, наличия сучков в зоне образования стружки и других пороков строения ствола древесины, а также частично от остроты лезвий зубьев пилы и их конфигурации, так как можно предположить (исследований на эту тему не проводилось), что использование пил с ломаными затылками зубьев будет способствовать доизмельчению стружки за счет больших ударных нагрузок от такой формы затылка, как в случае с доизмельчением стружки (опилок) в молотковых мельницах.

Опыт эксплуатации оборудования с компоновкой, описанной в представленных выше вариантах 1 и 2, показывает, что в этих случаях сливная стружка не образуется, потому что пиление начинают пилы нижнего вала (причем неважно, какое у шпинделя направление вращения - попутное или встречное). При встречном резании деформирование древесины на дне пропила значительно сильнее, чем при попутном резании. Но в случае пиления по вариантам 1 и 2 это неважно, так как при входе в бревно и пропилы от пил первого шпинделя пилы второго шпинделя пилят с «подпором», и ослабленная и деформированная древесина в зоне дна пропила от первого шпинделя в процессе пиления не висит в воздухе (на дне пропила от первого пильного шпинделя), как при пилении на оборудовании с компоновкой по варианту 3, а подпирается нераспиленной еще древесиной. Вариант 3 предполагает, что отсутствие подпора приведет к появлению на оборудовании сливной стружки.

Надо отметить, что в случае пиления по варианту 3, а также при пилении очень мягкой древесины наличие на зубьях пилы стружколомов не оказывает никакого влияния на измельчение стружки (опилок) в пропиле и не влияет на производительность оборудования.

Увеличение переднего угла зубьев до максимально возможного, а также косая заточка по задним граням зуба может иногда снять проблемы, так как эти приемы приведут к снижению силы резания и деформации древесины в зоне пропиле.

На рис. 5 и 6 показаны проблемные ситуации, возникающие при образовании сливной стружки на лесопильном оборудовании и приводящие к его частым простоям из-за необходимости очистки, а также к снижению сортности или получению некондиционной технологической щепы.

Владимир ПАДЕРИН