Круглые пилы для продольного и поперечного распиливания древесины и древесных материалов нашли применение во всех отраслях народного хозяйства. Трудно представить, к примеру, машиностроительное предприятие без тарного, модельного, деревообрабатывающего производства. Выпуск круглых пил Горьковским металлургическим заводом достигал 1 млн штук ежегодно.
Продольное и поперечное распиливание древесины и древесных материалов указанными пилами относится к сложному закрытому процессу резания со стружкообразованием. Он осуществляется многорезцовым вращающимся режущим инструментом – пильным диском, изготовленным из высококачественных легированных сталей: 9ХФ, 9Х5ВФ, 50ХФА.
Зуб круглой пилы аналогичен резцу с тремя режущими кромками (поперечной и двумя боковыми). Особенность пиления тесно связана со специфической формой и размерами режущего инструмента (малое значение толщины по сравнению с наружным диаметром), участием в работе по срезанию стружек значительного числа резцов (зубьев), образованием и перемещением стружек в закрытом с трех сторон узком пространстве (пропиле), непостоянством толщины стружек на пути резания, разрушением стружек на отдельные части (опилки) меняющихся размеров, большой скоростью протекания процесса (40, 60, 80, 100 м/с), периодичностью воздействия резцов на древесину и, наконец, большим количеством взаимозависимых факторов и изменчивостью физико-механических свойств обрабатываемой заготовки (в том числе ее анизотропностью).
Следует заметить, что совершенствование круглых пил оказало влияние на конструкцию и режим работы круглопильных машин, привело к расширению их технических возможностей, расширению номенклатуры станков и агрегатов, имеющих в своей основе режущий орган – пильный диск [1].
Одним из недостатков при работе оборудования с пильными дисками в качестве режущего инструмента является создаваемый агрегатом шум [4, 5, 6].
Краткий обзор по шумообразованию круглых пил
Вращение пил на холостом ходу сопровождается образованием шума аэродинамического и механического происхождения. Аэродинамический шум включает две составляющие: вихревой шум (от срыва вихрей в зоне зубчатой кромки) и от неоднородности потока (при прохождение зубьев около кромок заготовки, кромок прорезей в столе станка и др).
Механический шум (в основном вибрационный) возникает от поперечных колебаний диска по причинам, нарушающим устойчивость диска – центробежным силам инерции, а также вследствие передачи вибрации от привода пильного вала и динамической неуравновешенности диска и зажимных шайб. Такой шум условно можно назвать вибрационным шумом механического происхождения. Здесь можно (с позиций теоретических рассуждений) ввести понятие вибрационного шума аэродинамического происхождения от осевых составляющих от срыва воздушных вихрей с кромок зубьев пилы.
Вклад аэродинамической и вибрационной составляющей в суммарный шум холостого хода пилы весьма различен и зависит от ряда конструктивных факторов: размер и тип пилы, геометрии зубчатого венца (количество и форма зубьев), частоты вращения, диаметра и конструкции зажимных шайб, степени подготовки диска пилы, соотношения толщины пилы и ее диаметра.
Шум холостого хода высоко- и среднечастотного характера с наличием тональных составляющих.
Аэродинамический шум не всегда маскируется механическим [3].
При резании к вышеперечисленным причинам добавляется шум от перерезания волокон древесного материала и от вибрации его. Здесь следует отметить и изменение характера вибрационного шума вследствие добавления к причинам вибрации пилы на холостом ходу сил резания, ударов зубьев об обрабатываемый материал, возможности демпфирования диска пилы в пропиле и нагрева зубчатой кромки.
В работе Стахиева Ю.М. [2], а также в более ранних его монографиях отмечается малое влияние сил резания по сравнению с действием центробежных сил и температурного перепада по радиусу диска пилы. Попутно заметим [7], что влияние нагрева на потерю устойчивости дисков более существенно, чем влияние центробежных сил (особенно это замечено в многопильных станках).
Если сравнить восприятие работниками отрасли шума, к примеру, лесопильных рам и станков (агрегатов) с круглыми пилами, то шум последних из-за импульсного и нерегулярного характера в большинстве технологических процессов носит более раздражающий характер. По этой же причине многочисленные исследования по шумообразованию вращающихся пильных дисков продолжаются во всем мире последние 40 лет.
Результаты исследований
Здесь остановимся на результатах исследований шума на установке с бесступенчатым регулированием скорости пильного вала. Установка включала электродвигатель мощностью 4,5 кВт, универсальный регулятор скорости УРС–10, обеспечивающий плавное изменение числа оборотов пильного вала. Между э/двигателем и УРС расположена клиноременная передача. Число оборотов выходного вала гидродвигателя УРС–10 плавно регулируется специальным маховичком. После УРС–10 в кинематической схеме был одноступенчатый редуктор-мультипликатор и вторая клиноременная передача к пильному валу. Объем помещения − 700 м3, прилегающая стена и потолок закрывались щитами с звукопоглотителем на относе. Исследования проводились при холостом вращении пилы.
В табл. 1 даны характеристики 5 пильных дисков. Одной из первоначальных задач, поставленных нами при наличии бесступенчатой регулировки скорости вращения (отметим, что предыдущие, известные нам, исследования проводились их авторами на установках, как правило, со съемными шкивами, т.е. имело место только ступенчатое регулирование оборотов) было получение для определенной пилы узкого диапазона (с учетом переточки) чисел оборотов, при котором заметен ощутимый «провал» шума. К сожалению, наши ожидания здесь не увенчались успехом, т.е. повышение понижение шума было практически плавным. По этой причине фиксацию оборотов брали через 500 мин–1.
Диаметр зажимных шайб соответствовал следующей нумерации (номер – диаметр в мм) 1 – 100; 2 – 195; 3 – 370; 4 – 195 (с демпфирующем слоем из резины по нашему а/с 296645).
Методическая сетка этой серии опытов дана в табл. 2. Здесь же приведены уровни звука. Спектры шума не приводятся из-за громоздкости результатов.
Таблица 1
Характеристика пильных дисков
|
Номер пильного диска |
Условное обозначение диска |
|
1 |
ПРК 580 – 4,4 – 2,0 – 84 – IV – ГОСТ 980–80 |
|
2 |
ПРК 710 – 4,4 – 1,4 – 100 – IV – ГОСТ 980–80 |
|
3 |
400 – 2,5 – 60 – IV – ГОСТ 980–80 |
|
4 |
500 –2,5 – 60 – IV – ГОСТ 980–80 |
|
5 |
630 –3,0 – 60 – IV – ГОСТ 980–80 |
Выводы по результатам исследования:
1) с увеличением оборотов все пильные диски со всеми зажимными шайбами увеличивают шумность (исключение составляют опыты 10 – п.д. 1 – шайба 1; 45 – п.д. 3 – шайба 1; 88, 89 – п.д. 3 – шайба 4);
2) увеличение диаметра пильного диска приводит к увеличению шумности практически при всех скоростях вращения;
3) изменение уровня звука, обусловленное увеличением угловой скорости, для различных пил различно;
4) диаметр зажимных шайб оказывает незначительное влияние на шумообразование, особенно при скоростях больше 2000 мин–1;
5) обрезиненные шайбы (шайба 4 по сравнению с шайбой 2 того же диаметра 195 мм) привели к снижению шума в среднем на (3…4) дБА при (1500…2000) мин–1 (когда влияние аэродинамического шума еще не так заметно);
6) рассмотрение серии опытов (71…75) при шайбах диаметром 370 мм и пильном диске 3 диаметром 400 мм дает зависимость (при отсутствии свободной колеблющейся части диска, кроме зубчатого венца) увеличения чисто аэродинамического шума;
7) с учетом работы пильных дисков на Архангельском ЛДК им. Ленина, Соломбальском ЛДК и Тавдинском ЛК им. Куйбышева рекомендуется на проходных торцовочных установках устанавливать пильные диски диаметром (400…500) мм при 2000 мин–1 с обрезиненными шайбами диаметром (190…250) мм. При этом обеспечивается скорость резания (42…52) м/с; с такой скоростью успешно, с точки зрения технологических требований, работают проходные торцовки на Соломбальском ЛДК.
Таблица 2
Методическая сетка опытов и результаты исследований для холостого вращения пильных дисков
|
Обороты пилы, мин–1 |
Зажимные шайбы |
|||||||||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|||||||||||||
|
Пильные диски (см. табл. 1) |
||||||||||||||||||||
|
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
3 |
4 |
5 |
3 |
4 |
5 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Номер опыта |
||||||||||||||||||||
|
1000 |
1 |
6 |
11 |
16 |
21 |
26 |
31 |
36 |
41 |
46 |
51 |
56 |
61 |
66 |
71 |
76 |
81 |
86 |
91 |
96 |
|
1500 |
2 |
7 |
12 |
17 |
22 |
27 |
32 |
37 |
42 |
47 |
52 |
57 |
62 |
67 |
72 |
77 |
82 |
87 |
92 |
97 |
|
2000 |
3 |
8 |
13 |
18 |
23 |
28 |
33 |
38 |
43 |
48 |
53 |
58 |
63 |
68 |
73 |
78 |
83 |
88 |
93 |
98 |
|
2500 |
4 |
9 |
14 |
19 |
24 |
29 |
34 |
39 |
44 |
49 |
54 |
59 |
64 |
69 |
74 |
79 |
84 |
89 |
94 |
99 |
|
3000 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
65 |
70 |
75 |
80 |
85 |
90 |
95 |
100 |
|
Уровень звука (дБА) |
||||||||||||||||||||
|
1000 |
79 |
80 |
81 |
78 |
76 |
76 |
76 |
74 |
75 |
84 |
76 |
81 |
77 |
80 |
73 |
76 |
80 |
74 |
71 |
74 |
|
1500 |
84 |
86 |
83 |
85 |
83 |
86 |
80 |
88 |
76 |
88 |
83 |
86 |
82 |
86 |
75 |
78 |
83 |
76 |
78 |
82 |
|
2000 |
88 |
92 |
88 |
92 |
87 |
93 |
88 |
93 |
94 |
92 |
93 |
90 |
88 |
89 |
76 |
85 |
88 |
81 |
82 |
88 |
|
2500 |
96 |
103 |
95 |
98 |
95 |
98 |
95 |
98 |
97 |
95 |
95 |
90 |
90 |
96 |
80 |
88 |
95 |
80 |
90 |
94 |
|
3000 |
99 |
101 |
98 |
103 |
100 |
102 |
100 |
102 |
96 |
98 |
102 |
92 |
93 |
103 |
87 |
93 |
98 |
83 |
95 |
103 |
Рецензенты:
Гороховский А.Г., д.т.н., генеральный директор УралНИИПДрев, г. Екатеринбург;
Комиссаров А.П., д.т.н., профессор Уральской сельскохозяйственной академии, г. Екатеринбург.
Работа поступила в редакцию 26.11.2012.