Оптимизация раскроя бревен

Предварительная сортировка бревен

От предварительной сортировки бревен по диаметрам, длине, овальности, сбежистости и кривизне ствола зависит не только выход пилопродукции. Если головным оборудованием являются лесопильные рамы, то сортировка влияет на стабильность работы всего лесопильного потока. В современных линиях сортирования бревен на начальном этапе происходит лазерное сканирование бревна по всей длине для оценки его геометрических и качественных параметров. От вида измерительной системы в значительной степени зависит экономическая эффективность работы всей линии, при этом стоимость системы составляет не более 10% от стоимости линии.

По данным компании «Автоматика-вектор» (г. Архангельск), при применении сканера, работающего в одной плоскости, качество сортировки по диаметрам северных и сибирских бревен составляет порядка 80%, в зависимости от их овальности и диаметра. Оставшиеся 20% будут «непоставными», то есть не соответствующими рациональному поставу. При этом среди них примерно половина бревен будет большего диаметра, вторая половина – меньшего.

При использовании двухплоскостного сканера для тех же условий сортировки непоставность снизится до 10–12%, причем процент полезного выхода пиломатериалов увеличивается почти на 0,6%.

Еще больший эффект дает применение системы 3D-измерений, когда с высокой точностью (погрешность не более 1%) сканируется вся поверхность бревна, строится модель поверхности, а по параметрам модели вычисляется сортировочный размер для последующей распиловки бревна.

Количество непоставных бревен при 3D-сортировке сокращается до 4–5%, а кроме того, появляется возможность сортировать бревна по кривизне.

Процент полезного выхода пиломатериалов можно увеличить еще, если использовать специальную программу сортировки, учитывающую уменьшение сортировочного диаметра в зависимости от кривизны бревна. В сравнении с одноплоскостным сканером система 3D-измерений позволяет увеличить полезный выход на 1,0–1,2%. Экономическая эффективность применения такой системы проявляется при минимальном месячном объеме лесопиления 2000 м3.

Борьба с закомелистостью

Бревна с закомелистостью сложно надежно базировать при продольном распиливании, это также приводит к снижению полезного выхода пиломатериалов. Закомелистость характеризуется заметным увеличением диаметра в нижней части ствола и встречается практически у всех пород. Это частный случай сбежистости, когда диаметр круглых лесоматериалов у комлевого торца превышает более чем в 1,2 раза диаметр сортимента на расстоянии одного метра. Предварительно отобранные бревна с закомелистостью поступают в отдельные карманы линии сортировки бревен и далее – на участок снятия сбежистости. Немецкая компания Baljer & Zembrod выпускает установки для редуцирования оснований стволов, позволяющие убирать закомелистость у бревен с диаметром ствола от 100 до 1000 мм при длине от 2,8 до 24 м.

Станки для редуцирования различаются как по виду механизма резания, так и по виду механизма привода подачи бревна. Чаще всего в таких станках в качестве механизма резания используется либо ножевой вал, либо роторная головка. Ножевой вал может быть до 1,5 м длиной. Он располагается параллельно оси бревна и снимает с комля кругляка излишнюю сбежистость методом поперечного фрезерования, как на позиционных оцилиндровочных станках. Бревно с закомелистостью подается захватами с поперечного конвейера на сварную станину станка с установленными на ней призматическими балками, несущими зубчатые ролики. Эти ролики служат для центрирования и кантования бревна при обработке.

Бревно укладывается на позицию обработки таким образом, чтобы комель консольно свешивался с последней балки станины станка, параллельно ножевому валу. Далее бревно и ножевой вал приводятся во вращение относительно друг друга, а затем режущий инструмент надвигается на комель бревна параллельно его оси, осуществляя снятие излишков древесины способом поперечного фрезерования. Надвигание ножевого вала на комель бревна, вращаемого кантователем вокруг продольной оси, осуществляется с помощью гидрофицированной консоли или гидроцилиндра. Вращение бревна может обеспечиваться и за счет прижима к нему блока из двух колес, приводимых в движение гидромотором. После окончания обработки ножевой вал отключается и возвращается в исходное положение, приводные вальцы-колеса вращения бревна поднимаются вверх, освобождая обработанное бревно. Захваты станка сбрасывают бревно на поперечный цепной конвейер и далее – на линию сортировки или раскроя бревна.

В станках другой конструкции для снятия закомелистости может применяться комбинированная роторная головка, аналогичная головке окорочного станка. Бревно подается седлообразными рифлеными вальцами в просвет роторной головки, оснащенной резцами-короснимателями и дополнительными резцами для оцилиндровки комлевой части бревна. Это позволяет за один проход бревна через станок осуществить и окорку, и снятие закомелистости. Такие станки называются окорочно-калибровочными. Поскольку при обработке комля образуется много стружки, станок поднимают на высоту 1,5–2,0 м, а под зоной резания устанавливают ленточный конвейер или бункер для сбора отходов обработки.

Если бревна со значительной закомелистостью встречаются в производстве редко, можно использовать технологию предварительного плоского фрезерования закомелистой части, разработанную компанией EWD (Германия). На нижней поверхности комля формируется базовая плоскость, аналогично обработке на фуговальном станке. Это способствует более надежному базированию бревна в момент его входа в лесопильную линию. Проходя через автоматическое поворотное устройство, установленное перед фуговальным станком, бревно автоматически разворачивается кривизной вверх. Подача бревна из поворотного устройства к станку обеспечивается механизмом с автоматически регулируемым уровнем транспортной цепи, в соответствии с кривизной, сбежистостью, диаметром и длиной подаваемого бревна. Использование этого приема позволяет заметно сократить на выходе объем пилопродукции с обзольной частью.

Раскрой бревна без предварительной сортировки

Некоторые виды лесопильного оборудования позволяют осуществлять распиловку бревен без предварительной сортировки по диаметрам и кривизне. Бревно сканируется, и информация о его кривизне, диаметре, сбежистости поступает на устройство автоматического управления. Оно определяет пространственное базирование бревна перед распиловкой, оптимизирует постав в соответствии со спецификацией продукции, назначает наиболее целесообразные режимы пиления. Следом за сканером устанавливается автоматический кантователь бревна, разворачивающий и подающий бревно в станок при кривизне в одной плоскости «горбом» вверх, что позволяет получить максимальную суммарную площадь досок с продольной кривизной по кромке.

В дальнейшем, раскроив такие доски на более короткие, можно получить более качественный пиломатериал.

Автоматический кантователь представляет собой жесткую сварную раму, внутри него на роликах вращается ротор, в просвете которого установлены подающие вальцы. По информации, полученной сканером, процессор системы управления линией дает команду на кантователь для разворота бревна вокруг продольной оси, в соответствии со схемой раскроя.

ВЫПРЯМЛЕНИЕ БРЕВЕН ПРИ ПИЛЕНИИ

При обработке тонкомерных лесоматериалов диаметром до 240 мм могут применяться специальные механизмы подачи с мощными подающими вальцами, выпрямляющими бревно в процессе резания. Использование таких устройств позволяет значительно повысить коэффициент полезного выхода пиломатериалов и обеспечить заданную геометрию выпиленных досок с искривлением не более 10 мм на метр длины.

Поскольку искривленные брусья распилены на доски вдоль своей геометрической оси, вдоль волокон, то риск искусственного косослоя, снижающего прочностные характеристики досок, минимален. Практически сразу после распиливания под собственным весом доски принимают горизонтальное положение по всей пласти и в дальнейшем не отличаются от досок, полученных по традиционным технологиям лесопиления, и, чаще всего, имеют даже лучшие механические характеристики.

Раскрой бревен по дуге

После измерения геометрических параметров искривленного бревна компьютер определяет оптимальные размеры вписанной в него арки или более сложной кривой, по границам которой будет перемещаться режущий инструмент. Распиливание бревен по дуге известно давно и практиковалось при пилении на лесопильных рамах путем подтягивания передней подающей рамной тележки. Главными преимуществами раскроя пиловочника по дуге являются:

– повышение выхода пиломатериалов;

– распиливание бревен значительной кривизны;

– уменьшение процента обзольной части боковых и центральных досок;

– повышенная прочность пиломатериалов;

– снижение издержек производства.

Первое оборудование для дугового пиления создали немецкие компании Linck и EWD более 20 лет назад. Оптимизировать можно различные показатели процесса раскроя бревен, и каждая компания стремится создать собственную технологию оптимизации. Компания Linck предлагает несколько вариантов раскроя проблемных бревен.

Раскрой бревен с оптимизацией выхода боковых досок

Так как большинство бревен отличается от формы цилиндра кривизной и овальностью, выпиленные из таких бревен симметрично геометрической оси ствола боковые доски имеют меньшее поперечное сечение, чем это возможно теоретически. Использование компьютера и объемного сканера позволяет определить оптимальное расположение наиболее широких досок. Появляется возможность независимо выпиливать боковые доски как слева, так и справа от центральных досок постава. При этом боковые доски могут иметь различные размеры и местоположение в бревне (рис. 1). Благодаря системе трехмерного измерения может также варьироваться толщина боковых досок. Часто решающим фактором выхода пиломатериалов является не только объем, но ценность продукции. Лесопильные линии на базе фрезерно-брусующих станков позволяют быстро изменять параметры оптимизации, согласно изменившимся требованиям производства, и повышать прибыль.

Оптимизация выхода центральных досок

Для увеличения выхода центральных досок, как правило, надо отказаться от прямого постава, центрированного посередине относительно оси бревна или бруса. Концепция компании Linck предполагает учет различных критериев при базировании пиловочника на оборудовании как первого, так и второго ряда.

Поскольку бревна, в основном, имеют кривизну только в одной плоскости, в первом фрезерно-брусующем станке они должны оптимально разворачиваться, в зависимости от кривизны, таким образом, чтобы осуществить прямой распил бревен, ориентируясь кривизной вверх. В результате мы получаем для дальнейшего раскроя двухкантный брус с плоскими параллельными плоскостями – базами, то есть с идеальной опорой для обработки. На оборудовании второго ряда мощные центрирующие устройства центрируют дугообразный брус перед профилированием и позиционируют перед фрезерно-брусующим станком, в соответствии с продольным контуром ствола, полученным при 3D-сканировании.

При этом может осуществляться прямой распил с центрированием по геометрической оси (по центру), прямой распил с диагональным смещением или прямой распил с параллельным смещением. Для выбора способа центрирования исходным параметром является вид подачи к фрезерно-брусующему станку второго ряда. Повышение выхода пиломатериалов можно обеспечить при прямом распиле только лишь простым параллельным или диагональным смещением бруса относительно оси станка (рис. 2). Для применения этого метода необходимо модернизировать существующее или приобрести новое втягивающее устройство для фрезерно-брусующего станка, обеспечив его согласование с системой управления. Этот способ раскроя особенно эффективен при обработке короткомера: с ростом стрелы кривизны бруса значительно увеличивается выход продукции. Кроме высокоточного центрирования вершинного торца бруса, сочетание втягивающего устройства и фрезерно-брусующего станка позволяет индивидуально выравнивать каждый двухкантный брус диагонально, параллельно или по центру без снижения производительности потока.

Пиление по дуге

Для достижения максимального процента выхода пиломатериалов принимают во внимание не только кривизну бруса, но и оптимальную схему раскроя. Помимо пиления по центру, диагонально или параллельно оси, появляется возможность выбрать вид раскроя – как прямой, так и по дуге. Эта гибкость работы потока имеет большое значение, поскольку позволяет выбрать индивидуально для каждого бруса наиболее подходящую для него технологию.

Данный способ раскроя по дуге подразделяется на два вида: пассивный и активный (рис. 3). При пассивном раскрое по дуге брус центрируется вершиной вперед. При помощи дополнительных направляющих элементов в области втягивающего и вытяжного устройства копируется продольный контур бруса. При этом во внимание принимаются только те параметры кривизны, которые не превышают заданных максимальных значений. Кривизна, выходящая за рамки максимальных значений (например, в случае попадания крупных оснований сучков), игнорируется и не оказывает негативного влияния на форму доски. Кроме увеличения процента выхода пиломатериалов, в случае пиления вдоль волокон достигается более высокая прочность пиломатериалов. При активном раскрое по дуге пропил не копирует наружный контур бруса, а вычисляет под него оптимальную траекторию. При этом в обязательном порядке учитывается форма двухкантного бруса, его обработанные поверхности, схема раскроя, расположение технологического оборудования.

Дефекты роста бревна и крупные основания сучков не оказывают влияния на формируемую траекторию пиления по дуге. Рост диаметра в направлении комля позволяет при распиливании уменьшить кривизну дуги. Как правило, при таком раскрое отмечается повышение процента выхода боковых досок. В качестве головного оборудования Linck предлагает ряд фрезерно-брусующих станков серии VM, которые способны работать в комбинации с различными центрирующими и подающими агрегатами, обеспечивающими представленные выше варианты раскроя бревен и брусьев.

У этого фрезерно-брусующего станка расстояние между дисками (ширина фрезеруемого бруса) может составлять от 60 до 550 мм. Скорость подачи достигает 200 м/мин при глубине резания до 190 мм и мощности электродвигателей приводов механизмов резания 200–250 кВт на каждый фрезерный диск. Эти агрегаты, благодаря модульной конструкции, могут иметь разную комплектацию: одни обеспечивают автоматическое вращение бревна, другие – диагональное или параллельное смещение бревен или брусьев, либо распиливание по дуге. Станки VM используют в составе группы первого или второго ряда, а также в качестве комбинированной группы первого и второго ряда, характерной для производственных установок с системой возврата бруса.

Следует отметить, что на фрезерно-брусующих станках, помимо раскроя круглых лесоматериалов и двухкантных брусьев, попутно получают и высококачественную щепу – ценный продукт для целлюлозно-бумажной промышленности.

В зависимости от глубины резания, ножевые головки – фрезерные диски – могут иметь до трех ступеней крепления резцов. Причем геометрическая форма и размеры фракций технологической щепы, требуемые стандартами, зависят как от количества рубильных ножей на каждой ступени и скорости подачи, так и от частоты вращения фрезерных дисков, следовательно, могут регулироваться в широком диапазоне. Компания EWD предлагает аналогичную технологию увеличения выхода пиломатериалов за счет эффективного применения трехмерных систем сканирования и комплексных программ автоматизации – ArcoLine (дуговая линия).

В качестве основного оборудования может быть применен фрезерно-брусующий агрегат, многопильный круглопильный станок или ленточнопильные агрегаты. Полученный на оборудовании первого ряда двухкантный брус, имеющий дугообразное искривление, на этапе позиционирования фиксируется на цепном транспортере по пласти. При движении по конвейеру осуществляется его бесконтактное трехмерное сканирование, позволяющее определить выход максимальной ширины центрального бруса, расположение остальных видов пиломатериалов в поставе, а также оптимальный радиус его распиливания (рис. 4).

Оптимизировать можно выход центральных и боковых пиломатериалов, качество пиломатериалов, в зависимости от расположения волокон и сучков. Если в качестве головного используется фрезерно-брусующий агрегат, то после процесса измерения и обработки данных фрезерные диски агрегата устанавливаются на оптимальную для данного бруса ширину, а фрезерование осуществляется по рассчитанной дуге постоянного радиуса посредством поворота и вращательно-поступательных движений фрезерных суппортов относительно бруса, жестко зафиксированного на подающем цепном транспортере.

Минимальный радиус дуги фрезерно-брусующего агрегата ArcoLine FZ5 составляет 70 м при диаметре фрезерных дисков 1400 мм. Глубина фрезерования достигает 180 мм, максимальная высота обработки – 300 мм. Расстояние между дисками (ширина фрезеруемого бруса) может составлять от 80 до 800 мм, а максимальная скорость подачи бруса при фрезеровании – 250 м/мин. Электродвигатели приводов механизмов резания имеют мощность 250 кВт на каждый фрезерный диск. На выходе фрезерно-брусующего агрегата получается четырехкантный брус-арка оптимального радиуса и технологическая щепа. Далее арочный брус для продольного раскроя на обрезные доски поступает на специальный двухвальный круглопильный станок второго ряда типа DWK Arco (рис. 5). Вертикальные подающие и вытяжные вальцы механизма подачи этого станка настраиваются на постоянный радиус арки бруса (радиус обработки) при помощи сервогидравлических механизмов (рис. 5а).

Круглые пилы этого станка жестко зафиксированы, а расстояние между пильными валами и их взаимное расположение могут регулироваться (рис. 5б, в). Максимальная высота пропила станка DWK Arco составляет 290 мм при диаметре круглых пил до 565 мм. Паспортная скорость подачи этого станка может достигать 230 м/мин, в зависимости от поперечного сечения бруса и количества пильных дисков. В линии вместо двухвальных круглопильных станков второго ряда могут быть установлены делительные ленточнопильные станки в различной конфигурации: – по отдельности; – два станка стоят последовательно друг за другом (Tandem); – два станка стоят зеркально симметрично в одной плоскости (Twin); – три станка стоят последовательно друг за другом (Tripel); – с каждой стороны установлена конфигурация Tandem (Quard).

Примером делительного ленточнопильного станка в конфигурации Twin является станок типа ЕВ 1800 Arco. Проведенный компанией Linck сравнительный анализ процентного выхода пиломатериалов для различных видов центрирования представлен на Диаграмме 1. Увеличение процента выхода пиломатериалов оценивалось в сравнении раскроя с центрированием по середине бруса (рис. 6а) для двух вариантов: прямого пиления с диагональным смещением оси бруса относительно оси станка (рис. 6б) и пиления по дуге (рис. 6в). При этом продольная кривизна брусьев варьировалась в пределах от 10 до 30 мм. Как следует из диаграммы, уже при наличии небольшой кривизны бруса использование представленных методов оптимизации раскроя бревен ведет к заметному повышению выхода пиломатериалов. При продольной кривизне порядка 25 мм диагональным выравниванием бруса можно добиться хорошего результата – дополнительно получить порядка 4% пиломатериалов, а в то же время при раскрое по дуге эта величина может достичь более заметной величины – до 8%, что говорит о перспективности предлагаемых методов оптимизации и целесообразности внедрения их в производство.