Prezentare Generala a Utilajelor Pentru Debitat Si Despicat Lemne

Noțiuni introductive

Prezenta lucrare detaliază o alternativă pentru producția lemnului de foc, mecanizat, prin intermediul căreia operatorul uman este ajutat, în unele cazuri înlocuit din procesul de fabricație.

După tăierea lemnului utilizând ferăstraie, motoferăstraie, sau alte mijloace, lemnul trebuie debitat și despicat la anumite dimensiuni, în funcție de destinația acestuia și cerințele impuse de consumator.

Prin procesul de debitare și despicare a lemnului, sunt create condiții optime necesare controlului umidității materialului lemnos, prin intermediul căreia este asigurată o ardere eficientă și o cantitate de caldură degajată cât mai mare. Despicarea lemnului crește suprafața prin intermediul căreia umuditatea se poate evapora.

În funcție de dimensiunea la care sunt despicate lemnele, se poate controla viteza de ardere și cantitatea de căldură degajată. Cu cât dimensiunea acestora este mai mică, viteza de ardere crește concomitent cu cantitatea de căldură degajată, respectiv pentru dimensiuni mai mari (cu un coeficient de umiditate ridicat) arderea se realizeză cu o viteză lentă și o degajare progresivă de căldură. În funcție de destinație se poate stabili modul optim de alegere a tipului de lemn și a dimensiunilor acestuia.

Un exemplu sugestiv ar fi utilizarea materialului lemnos pentru gătit, sau pentru alte activități, acolo unde este necesară o temperatură ridicată, drept urmare este obligatorie utilizarea unor lemne despicate la dimensiuni mai mici. În majoritatea cazurilor lemnul de foc este utilizat la centrale termice sau alte mijloace de încălzire a locuinței, unde se dorește o viteză de ardere redusă, fiind necesară utilizarea unor lemne de dimensiuni mai mari.

În general motoferăstraiele sunt utilizate la scară largă pentru debitarea lemnelor, acestea prezentând o mobilitate ridicată. Totodată acestea crează zgomot, vibrații și implică riscuri considerabile asupra utilizatorului, care trebuie să mânuiască unealta, fiind obligatorie utilizarea echipamnetelor speciale de protecție.

În mod tradițional lemnul este despicat prin intermediul topoarelor și a altor unelte care se bazează pe energia dezvoltată de corpul uman pentru îndeplinirea cerințelor. Această modalitate este ineficientă și solicitantă, care nu poate asigura o cantitate suficientă de material lemnos procesat întru-un interval de timp cât mai scurt.

În conformitate cu Regia Națională a Pădurilor – ROMSILVA, în anul 2013 a fost recoltată o cantitate de 9582.2 miimasă lemnoasă, urmând ca aceasta să crească în anul 2014 la 9600 mii, fapt ce reprezintă aproximativ 73% din cantitatea maximă ce poate fi recoltată annual. []

Odată cu creșterea cererii de material lemnos, la rândul ei capacitatea de producție a acestuia a trebuit să crescă, dezvoltând oportunitatea implementării unei soluții mecanizate pentru procesare.

Procesatoarele mecanice a lemnului de foc se bazează pe energia furnizată de o pompă hidraulică acționată de un motor electric, prin intermediul căreia este transferată presiunea către cilindrii hidraulici. Acești cilindrii acționeză diverse mecanisme în vederea debitării și despicării lemnului, dar și a altor faze auxiliare necesare procesului tehnologic, în condiții de siguranță și de productivitate ridicată.

Controlul deplasării cilindrilor se realizează automat, operatorul uman este exclus din faza de decizie asupra procesului tehnologic, efortul depus este diminuat, rolul acestuia fiind de monitorizare a procesului și de remediere a unor situații neprevăzute. Opțional acesta poate interveni asupra procesului în mod manual prin acționarea corespunzătoare a elementelor de comandă a cilindrilor hidraulici.

Siguranța în exploatare a procesatoarelor mecanice în detrimentul altor metode, reprezintă principalul avantaj care se orientează în mod deosebit pe siguranța operatorului uman. Totodată creșterea capacității de producție permite o competitivitate, raportată la alte modalități de a obține produsul finit.

Intervenția operatorului uman este limitată pe parcursul desfășurării procesului tehnologic, prin intermediul grilajelor de protecție și a ușilor de acces. Dacă procesatorul este în stare de funcționare și se încearcă intervenția operatorului asupra ușilor de acces, este întreruptă alimentarea cu energie electrică a acestuia, ca măsură de protecție împotriva accidentelor.

Prezentare generală a utilajelor pentru debitat și despicat lemne

Pentru a putea stabili avantajele și dezavantajele procesatorului detaliat în prezenta lucrare, se va realiza o comparație între acesta și un alt procesator existent pe piață cu caracteristici similare.

Drept urmare se va utiliza ca termen de comparație un procesator de tip DYNA SC-14 care dispune de un motor cu ardere internă pentru acționarea pompei hidraulice, lungimea maximă a lemnului de 3,6 m, la un diamentru maxim de 35 cm. []

Acționarea mecanismelor procesatorului se realizează manual, fiind necesară prezența unui operator calificat, care trebuie să horărască când și în ce condiții poate realiza trecerea de la o fază la alta.

Fig. 2.1 Panoul de comandă

http://dyna-products.com/products/processors/SC-14.phtml

În scopul ajutării operatorului, sunt montate manometre pentru măsurarea presiunii pentru fiecare cilindru de acționare a mecanismelor, astfel încât acesta poate avea un feed-back asupra procesului tehnologic. Deplasarea cilindrilor hidraulici se realizează secvențial, astfel încât este condiționată începerea unei faze, de presiunea prestabilită pentru faza precedentă. Ca urmare dacă presiunea este insuficientă, nu se va putea realiza trecerea la faza următoare.

În Fig. 2.1, maneta (1) acționează, prin deplasarea acesteia în stânga sau în dreapta, conveiorului secundar de înmagazinare a lemnelor, iar prin deplasarea în sus sau în jos se poziționează cuțitul de despicat. Maneta (2) acționează deplasarea cilindrului pentru despicat. Maneta (3), prin deplasarea acesteia în stânga sau în dreapta, acționeaza conveiorul principal al utilajului, iar prin deplasarea în sus sau în jos, se realizează prinderea lemnului, urmată de debitarea acestuia în momentul realizării presiunii necesare.

Mecanismul de prindere a lemnului este similar unei pârghii, iar în momentul în care acesta este în contact cu lemnul situat pe conveior, presiunea din instalație crește până la valoarea prestabilită, după care este acționat motorul hidraulic rotativ de antrenare a lanțului. Ulterior se trece la faza de debitare prin intermediul supapei secvențiale. În momentul finalizării debitării lemnului, sunt retrase mecanismele de prindere și debitare, urmând despicarea lemnului.

Mecanismul de debitare este compus dintr-un motor hidraulic rotativ necesar angrenării lanțului și un cilindru hidraulic care realizează deplasarea mecanismului de debitat.

Fig. 2.2 Mecanismul de debitare
http://dyna-products.com/products/processors/SC-14.phtml

Mecanismul de despicare (1) Fig. 2.3 este constituit dintr-un motor hidraulic liniar cu cursa de 600 [mm] și un diametru de 100 [mm].

Fig. 2.3 Mecanismul de despicat respectiv cuțitul de despicat

http://dyna-products.com/products/processors/SC-14.phtml

Cuțitul de despicat 2 este realizat astfel încât lemnul să fie despicat în șase părți, iar faptul că acesta este translatabil pe verticală permite acomodarea acestuia la o gamă variată de dimensiuni.

Din pricina faptului că nu există un element de comandă care să gestioneze mișcările realizate în timpul procesului tehnologic, acest aspect trebuie compensat prin intermediul componentelor hidraulice, cum ar fi supapele secvențiale, care constrâng într-un anumit fel deplasările mecanismelor. Această constrângere se realizează în mod obișnuit prin reglarea unei presiuni minime de lucru pentru faza în desfășurare, iar în momentul în care aceasta este atinsă, numai atunci se poate realiza trecerea la faza următoare.

Acționarea hidraulică este simplă în principiu, dar pentru realizarea unor mișcări complexe este necesară utilizarea unei game variate de aparate hidraulice, ce implică costuri ridicate pentru realizarea acesteia, astfel încât prețul utilajului DYNA SC-14 pentru varianta de bază pornește de la 19000$ și poate ajunge până la 21000$.

În continuare va fi prezentată soluția constructivă dezbătută în această lucrare, prin raportarea la procesatorul prezentat mai sus.

Fig. 2.4 Mecanismul de debitare a lemnului

Mecanismul de debitare a lemnului din Fig. 2.4 se compune dintr-un motor electric care furnizează energia prin intermediul unei transmisii prin curele trapezoidale în vederea acționării lanțului. La procesatorul DYNA SC-14 prezentat mai sus, angrenajul de antrenare a lanțului are o construcție specială, dat fiind faptul că acesta trebuie montat pe arborele motorului hidraulic rotativ. Această modalitate prezintă dezavantajul că nu se poate asigura o universalitate ridicată, angrenajul putând funcționa cu un singur tip de lanț.

Acest impediment a fost soluționat prin implementarea unei soluții constructive prin intermediul căreia este asigurată o interschimbabilitate și o universalitate cu privire la tipurile și dimensiunile lanțurilor utilizate. Prezentarea în detaliu se va realiza în capitolul 3.2.

Structura cinematică a modelului de procesator propus este simplă, dar care poate realiza mișcări complexe, fiind reduse la minim costurile cât și numarul elementelor componente necesare acționării hidraulice. Elementele hidraulice de acționare lucrează în tandem cu circuitul de comandă, astfel încât sunt gestionate toate mișcările realizate de mecanismele utilajului.

Un aspect deosebit îl reprezintă capacitatea acestuia de a lucra autonom, operatorul realizând supravegherea procesului tehnologic, fapt prin care este conferită o siguranță sporită în exploatare.

Proiectarea unui utilaj pentru procesarea lemnului de foc

În acest capitol sunt realizate etapele necesare proiectării și realizării unui utilaj pentru debitat și despicat lemne.

Soluție constructivă

Utilajul de debitat și despicat lemne propus în prezenta lucrare, se dorește a fi constituit din elemente mecanice și elemente de acționare hidraulică, comandate prin intermediul unui circuit de comandă.

Ideea care a fundamentat realizarea acestui utilaj a ținut seamă de cursul normal și firesc al etapelor necesare prelucrării materialelor lemnoase, în vederea obținerii produsului finit sub formă de lemn de foc.

Cadrul reprezintă elementul de structură prin intermediul căruia este permisă stabilirea unei poziții relative înte elementele mecanice, hidraulice și a celorlalte sisteme care contribuie la realizarea procesului tehnologic. Acesta are o construcție solidă relizat din oțel de uz general OL37, prin intermediul căruia sunt amortizate vibrațiile și șocurile produse în timpul cuplului tehnologic.

Realizarea cadrului are ca scop principal, pe lângă cele menționate mai sus, protecția operatorului împotriva elementelor mecanice mobile, astfel încât se dorește o scădere a riscurilor de accidentare în timpul funcționării utilajului.

Fig. 3.1 Cadrul utilajului de debitat și despicat lemne

În zona de alimentare, se regăsește un conveior, prin intermediul căruia lemnul realizează deplasarea spre zona de procesare unde acesta urmează a fi prelucrat.

În continuare vor fi prezentate fazele care concură la realizarea procesului tehnologic, în ordinea derulării acestora.

Faza 1: Alimentarea cu lemn

Această fază se desfășoară manual, fiind în atribuția operatorului să asigure de faptul că pe conveior este prezent un lemn.

Datorită modului de realizare a cadrului utilajului, este permisă și alimentarea prin intermediul unor încărcătoare frontale. Acest fapt prezintă avantajul că pot fi manipulate lemne de dimensiuni mari, cu un diametru de până la 40 [cm] și lungime de 3 [m].

Capacitatea de încărcare a utilajului este de un lemn, alimentarea realizându-se succesiv, după procesarea lemnului precedent.

Utilajul poate fi dotat cu un mecanism de alimentare cu lemn, care are rolul de a înmagazina o anumită cantitate de material lemnos, fiind asigurat necesarul pentru un interval limitat de timp, caz în care operatorul nu este nevoit să realizele alimentarea utilajului. Acest mecanism este controlat de circuitul de comandă, care în mod automat gestionează modul în care se va poziționa lemnul.

Lemnul poate fi alimentat pe direcție longitudinală a cadrului, de către operator, sau pe direcție transversală a acestuia, pe partea opusă a mecanismului de prindere a lemnului, prin intermediul mecanismului de alimentare automat.

Conveiorul este poziționat convenabil la o distanță cât mai mică față de baza utilajului, astfel încât se poate asigura încărcarea cu ușurința a acestuia. Acesta este realizat din cauciuc pentru bandă transportoare, fiind ghidat prin intermediul unor role, ce asigură o distribuție uniformă a greutății lemnului în curs de procesare.

În momentul alimentării cu material lemnos, toate mecanismele mobile trebuie să fie retrase la poziția de zero a acestora, pentru a evita riscurile apariției unor eventuale accidente.

Poziția în care este pus lemnul pe conveior nu influențează în continuare desfășurarea proceselor, mai specific, distanța la care acesta este poziționat fața de un reper fix poate varia de la o alimentare la alta, lemnul fiind adus automat la distanța prestabilită în zona de procesare.

Fig. 3.2 Alimentarea cu lemn a utilajului

Faza 2: Deplasarea conveiorului

Această fază se desfășoară automat, la apăsarea butonului AUTOMAT al panoului de comandă de către operator, doar dacă este îndeplinită condiția ca toate mecanismele mobile să fie în poziția de zero a acestora.

Prin urmare în momentul în care senzorii ML2, ML4 și ML6 sunt acționați este comandată acționarea motorului electric din componența conveiorului până în momentul în care senzorul ML7, situat în zona de procesare pe traiectoria lemnului, își modifică starea din 0 în 1. În acel moment alimentarea cu energie electrică a motorului conveiorului este oprită.

În modul automat circuitul de comandă reprezintă factorul de decizie, moment în care operatorul are rol de supraveghere a procesului tehnologic.

Fig. 3.3 Deplasarea conveiorului

Prin reglarea distanței de acționare a senzorului ML7 se stabilește astfel dimensiunea la care va fi realizată debitarea lemnului, acesta având dimensiuni cuprinse între 10 și 50[cm].

În modul manual de procesare, operatorul reprezintă factorul de decizie, iar pentru deplasarea conveiorului, acesta trebuie să acționeze butonul MANUAL al panoului de comandă.

Limita maximă admisă a deplasării pentru modul manual este reprezentată de raza de acțiune a senzorului ML7. Dacă acesta își modifică starea din 0 în 1, alimentarea cu energie electrică a motorului conveiorului este oprită.

Faza 3: Prinderea lemnului

Asigurarea lemnului împotriva deplasărilor din timpul procesului tehnologic se realizează automat doar după finalizarea cu succes a fazei precedente de deplasare a conveiorului, lucru constatat de senzorul ML7 care își modifică starea din 0 în 1.

Prinderea lemnului se realizează pe toată perioada în care acesta urmează a fi debitat, pentru a preîntâmpina uzura prematură sau ruperea lamei mecanismului de debitare.

Mecanismul de prindere este dispus pe partea opusă a mecanismului de debitat, astfel încât forțele exercitate în momentul debitării să mențină lemnul într-o fixare ferma pe toată durata procesului.

Fig. 3.4 Prinderea lemnului

Asigurarea lemnului se derulează până în momentul în care senzorul ML3, situat pe mecanismul de prindere, își modifică starea din 0 în 1, oprind alimentarea electromagnetului distribuitorului.

Antrenarea mecanismului de prindere în vederea fixării lemnului pe conveior se realizează prin intermediul unui cilindru hidraulic liniar.

Operatorul poate interveni asupra procesului tehnologic, prin acționarea butonului manual al panoului de comandă, respectiv butonul corespunzător de realizare a fazei de prindere.

Limita mximă până la care se poate realiza prinderea lemnului o reprezintă modificarea stării senzorului ML3 din 0 în 1, fapt ce confirmă asigurarea acestuia în vederea debitării.

Faza 4: Debitarea lemnului

Debitarea lemnului se realizează automat doar după finalizarea cu succes a fazei precedente de prindere a lemnului, lucru constatat de senzorul ML1 care își modifică starea din 0 în 1.

În funcție de tipul lemnului procesat, timpul în care se va realiza debitarea lemnului va fluctua. Prin reglarea droselului corespunzător cilindrului de debitare se reglează astfel viteza de deplasare a mecanismului de debitare.

Fig. 3.5 Debitare lemn

Mecanismul de debitare este constituit dintr-o lamă similară cu cea a motoferăstraielor din comerț, aceasta având dimensiunea maximă admisă pentru acest procesator de 70 [cm].

Antrenarea mecanismului de debitare în vederea tăierii lemnului de pe conveior se realizează prin intermediul unui cilindru hidraulic liniar.

În urma debitării lemnului, acesta prin prisma gravitației ajunge în zona de acțiune a mecanismului de despicare în vederea finalizării ciclului tehnologic.

Fig. 3.6 Lemnul în urma debitării

Ulterior debitării lemnului, acesta se deplasează în jos spre mecanismul de despicat, unde prin intermediul pereților de ghidare din zona de despicare, lemnul este centrat automat pentru a asigura o despicare uniformă a acestiua.

Faza5: Retragere mecanism de debitare

Retragerea mecanismului de debitare a lemnului se realizează automat doar după finalizarea cu succes a fazei precedente de debitare a lemnului, lucru constatat de senzorul ML2 care își modifică starea din 0 în 1.

În acest moment mecanismul de despicare a lemnului se află în poziția de zero, datorită faptului că pentru reluarea ciclului tehnologic este impusă condiția ca toate mecanismele mobile să se afle la poziția inițială a începerii fazei.

Fig. 3.7 Retragerea mecanismului de debitare

Suplimentar față de cele menționate mai sus, pe tot parcursul desfășurării procesului tehnologic, motorul electric de acționare a lanțului este în stare de funcționare. Acest aspect reprezintă o situație cu un potențial ridicat de producere a accidentelor și se impune o zonă specială de protecție care să asigure evitarea situațiilor neprevăzute.

Faza 6: Retragerea mecanismului de prindere

Retragerea mecanismului de prindere a lemnului se realizează automat doar după finalizarea cu succes a fazei precedente de retragere a mecanismului de debitare a lemnului, lucru constatat de senzorul ML4 care își modifică starea din 0 în 1.

Motivul pentru care mecanismul de prindere a lemnului realizează mișcarea de retragere, în faza curentă și nu în ultima fază a ciclului tehnologic, o reprezintă faptul că pe parcursul despicării lemnului, utilajul este supus unor șocuri datorate modului diferit de realizare a despicării, în funcție de tipul lemnului utilizat și dimensiunile acestuia.

Fig. 3.8 Retragerea mecanismului de prindere

Pe lânga cele menționate, retragerea mecanismului de prindere asigură condiția necesară inițierii unui nou ciclu tehnologic.

Faza 7: Despicarea lemnului

Despicarea lemnului se realizează automat doar după finalizarea cu succes a fazei precedente de retragere a mecanismului de prindere a lemnului, lucru constatat de senzorul ML5 care își modifică starea din 0 în 1.

Despicarea lemnului este faza cea mai solicitantă, în cadrul căreia se dezvoltă forțe de până la 10 [tf], astfel încât în urma acestei faze este obținut produsul finit sub forma lemnului de foc.

În funcție de tipul lemnului procesat, timpul în care se va realiza despicarea lemnului va fluctua. Prin reglarea droselului corespunzător cilindrului de despicare se reglează astfel viteza de deplasare a mecanismului.

Fig. 3.9 Despicarea lemnului

Faza 8: Retragerea mecanismului de despicare

Retragerea mecanismului de despicare a lemnului se realizează automat doar după finalizarea cu succes a fazei precedente de despicare a lemnului, lucru constatat de senzorul ML6 care își modifică starea din 0 în 1.

Retragerea mecanismului de despicare reprezintă ultima fază preparatoare, necesară reluării ciclului tehnologic.

Fig. 3.10 Retragerea mecanismului de despicare

Structura 3D a utilajului de debitat și despicat lemne

În acest capitol este prezentată în detaliu structura 3D a utilajului, cu accent pe unitatea de putere hidraulică și mecanismele care contribuie la realizarea procesului.

Sursa de putere a utilajului este constituită din grupul hidraulic, prin intermediul căruia se pot realiza mișcările necesare prelucrării lemnului. Unitatea hidraulică este situată în partea inferioară a utilajului, astfel încât centrul de greutate al acestuia să se situeze la o distanță cât mai mică de baza utilajului.

Construcția utilajului de procesat lemne a pornit ținând seamă de caracteristicile tehnice ale acestuia, precum forța maximă și vitezele de deplasare a mecanismelor, prin intermediul cărora a fost dimensionată instalația hidraulică.

Cadrul utilajului a fost realizat astfel încât să asigure posibilitatea de montare a grupului hidraulic, precum și a elementelor hidraulice necesare desfășurării procesului tehnologic.

Motorul electric trifazat (2), antrenează pompa hidraulică, prin intermediul căreia, fluidul hidraulic este debitat către distribuitoarele (5).

Viteza de deplasare a fluidului spre cilindrii hidraulici poate fi ajustată prin intermediul droselelor (6).

Manometrul (3) asigură vizualizarea în timp real a presiunii din instalație, iar manometrul (4) situat pe filtrul de retur avertizează dacă este necesară înlocuirea filtrului.

Prin intermediul bușonului (1) se realizează umplerea cu ulei hidraulic până la nivelul marcat pe nivela de ulei (7).

Odată cu realizarea cadrului pe care a fost montat gruplul hidraulic, s-a realizat și mecanismul de despicare a lemnului.

Fig. 3.12 Amplasarea pe cadrul de bază a mecanismului de despicare și a grupului hidraulic

Mecanismul de despicare este constituit dintr-un cilindru hidraulic liniar (4) cu diametrul de 125 [mm] și o cursă de 600 [mm], care deplasează prin intermediul ghidajelor (1) culisorul metalic (3) ce are rolul de a împinge lemnul debitat prin cuțitul de despicat (2).

Senzorii ML5 și ML6 sesizează deplasarea culisorului în pozițiile extreme ale cursei acestuia. Cuțitul de despicat (2) este de asemenea montat pe ghidajele (1), astfel încât acesta poate fi deplasat pentru a reduce distanța ce trebuie parcursă de culisor în timpul despicării. Cursa maximă a culisorului este egală cu cursa maximă a motorului hidraulic liniar, adică 600 [mm]. În situația în care lemnul debitat are o dimensiune mai mică decât cursa maximă a culisorului, diferența dintre cursa maximă și dimensiunea lemnului reprezintă o deplasare în gol a mecanismului de despicare, fapt ce mărește timpul de desfășurare a acestei faze.

Cuțitul poate fi deplasat la intervale egale, iar fixarea acestuia se realizează prin intermediul alezajelor realizate în ghidaje.

Următorul pas realizat pentru construcția utilajului îl reprezintă montarea subansamblului mecanismului de debitare.

Acest subansamblu se montează direct pe cadrul utilajului prin intermediul a patru șuruburi, fapt ce presupune existența unor alezaje corespondente prezente la nivelul cadrului.

Mecanismul de debitare este compus dintr-un arbore principal, angrenat prin intermediul unei roți de curea și a unei transmisii prin curele de către un motor electric trifazat.

Fig. 3.13 Arborele principal

Arborele se fixează de cadrul mecanismului de debitat prin intermediul a doi rulmenți radiali cu bile, montați în interiorul a două carcase. La extremitățile arborelui sunt realizate un canal de pană, prin intermediul căruia se realizează montarea roții de curea, iar la capătul opus este executat un alezaj filetat în care se va monta arborele secundar de antrenare a angrenajului lanțului. Alezajul filetat este realizat cu filet metric pe stânga, conceput ca măsură de protecție, astfel încât între cei doi arbori în momentul mișcării de rotație să se realizeze o autostrângere.

Este necesară realizarea unei condiții severe de concentricitate a celor doi arbori, pentru a evita vibrațiile din timpul funcționării și se a asigura o angrenare optimă a lanțului cu sprocket-ul.

Arborele principal are o construcție robustă, pentru a preveni deteriorarea acestuia în eventualitatea apariției unui eveniment neprevăzut, dar și pentru a facilita realizarea alezajului filetat necesar asamblării arborelui secundar. Acesta din urmă datorită dimensiunilor mici în comparație cu arborele principal, dar și a costurilor de fabricație reduse, va reprezenta elementul de uzură, care va ceda primul la apariția unor șocuri introduse în sistem.

Pe arborele secundar se poate asambla orice tip de mecanism de angrenare a lanțului, cu condiția să se respecte dimensiunile și caracteristicile filetului prezent în arborele principal.

Acest fapt asigură o universalitate ridicată a mecanismului de debitare, fiind posibilă adaptarea acestuia la o gamă variată de lanțuri, în funcție de tipul de lemn procesat, dar și de cerințele clientului, cu costuri minime.

În anexa 1 sunt prezentate mai multe modele de arbori secundari, atât pentru motoferăstraie cu ardere internă, dar și electrice.

Fig. 3.14 Ansamblu arbore principal, arbore secundar și mecanism angrenare lanț

Lama pe care rulează lanțul, este montată pe o carcasă asamblată concentric cu arborele principal, prin intermediul a doi rulmenți. Acest fapt asigură o distanță constantă în timpul funcționării între lamă și axa arborelui, cât și posibilitatea de rotire a lamei în jurul axei sprocket-ului. În caz contrar, dacă nu se respectă această distanță, este posibil ca lanțul să cedeze, sau să apară uzuri premature asupra mecanismului, datorate forțelor suplimentare.

Fig. 3.15 Subansamblu mecanism de debitare

Prin utilizarea unui cadru intermediar, este posibilă asamblarea motorului electric de antrenare a arborelui principal al subansamblului mecanismului de debitare, și montarea acestora pe cadrul utilajului. Soluția adoptată are în vedere faptul că se poate realiza montarea și demontarea mult mai ușoară a întregului mecanism de debitare, astfel putând fi realizată cu ușurință mentenanța acestuia.

Fig. 3.16 Ansamblu mecanism de debitare

Deplasarea lamei în vederea debitării lemnului se realizează utilizând un motor hidraulic liniar astfel încât prin acționarea acestuia lama realizează o mișcare de rotație în jurul axei arborelui principal.

Fig. 3.17 Amplasarea mecanismului de debitat pe cadrul utilajului

Cursa lamei în timpul funcționării este stabilită prin intermediul senzorilor ML1, respectiv ML2 care sesizează coborârea sau ridicarea acesteia.

Pentru a putea realiza debitarea lemnului fără incidente, este necasară prezența unui mecanism de prindere a lemnului.

Mecanismul de prindere a lemnului este situat pe partea opusă mecanismului de debitare, în ideea în care forțele exercitate de cele două mecanisme asupra lemnului să provină din ambele direcții, astfel încât să nu se producă deplasarea lemnului.

Principalul obstacol întâlnit la realizarea mecanismului de prindere a fost faptul că acesta trebuie sa acomodeze diferite dimensiuni de lemne, cu valori cuprinse între 0 și 40[cm]. În același timp trebuie să furnizeze informații circuitului de comandă cu privire la efectuarea sau neefectuarea prinderii lemnului.

La majoritatea procesatoarelor prezente pe piață în momentul de față, comanda efectuării prinderii lemnului este furnizată prin creșterea presiunii fluidului hidraulic din instalație.

Soluționarea acestui impediment, are la bază conceperea unui sistem de prindere articulat care să poată culisa în momentul în care este realizat contactul cu lemnul.

Fig. 3.18 Mecanismul de prindere a lemnului, în poziția de sus (de zero)

În momentul în care mecanismului de prindere este în poziția de sus, senzorul ML4 sesizează acest fapt, pe când senzorul ML3 care sesizează prinderea lemnului nu este acționat, datorită modului de culisare a brațului mecanismului.

Prin intermediul forței gravitaționale, brațul mecanismului este orientat în jos, până în momentul în care acesta execută mișcarea de prindere a lemnului. În acel moment brațul culisează în sus până când senzorul ML3 își modifică starea din 0 în 1, adică acesta constată efectuarea prinderii lemnului.

Fig. 3.19 Mecanismul de prindere a lemnului, poziția de jos

Fig. 3.20 Modul de amplasare și acționare a mecanismului de prindere

Poziționarea mecanismelor utilajului are în vedere realizarea unei soluții ergonomice, astfel îmcât trecerea de la o fază la alta să se desfășoare în cel mai scurt timp posibil.

Împreună mecanismele mai sus prezentate, asigură repetabilitatea ciclului tehnologic și realizează transformarea materialului lemnos în lemn de foc.

Proiectarea insțalatiei hidraulice

Grupul hidraulic se compune din trei motoare hidraulice liniare, necesare realizării mișcărilor de prindere a lemnului în momentul tăierii, de ațtionare a dispozitivului de debitat și de acționare a mecanismului de despicat.

Fig. 3.21 Schema de acționare hidraulică

Elementele componente ale instalației hidraulice:

MHL1 , motorul hidraulic liniar 1 realizează debitarea lemnului

MHL2 , motorul hidraulic liniar 2 realizează prinderea lemnului

MHL3 , motorul hidraulic liniar 3 realizează despicarea lemnului

T – Tanc

F – Filtru

P – Pompă

M – Motor electric

Man – Manometru

SM – Supapă maximală

D1 – D4 – Distribuitoare

Dr1 –Dr3 – Drosele

Calculul instalației hidraulice pentru despicarea lemnului

Caracteristici impuse:

Fa= 10000 [daN] – forța maximă;

Pmax= 100 [daN/ cm] – presiunea maximă;

VAT= 20 [mm/s] – viteza pe avans tehnologic;

VRR= 30 [mm/s] – viteza pe retragere rapidă;

Fig. 3.22 Modul de acționare al forțelor asupra cilindrului

Pentru a calcula puterea minimă necesară se utilizează urmatoarea relație:

unde: Fa – forța maximă [daN];

v – viteza de deplasare [m/min];

Calculul vitezei de deplasare:

Se ține seamă de urmatoarele mărimi de intrare:

Timpul de deplasare pentru avans tehnologic t= 35 [s];

Timpul de deplasare pentru retragere rapidă t= 25 [s];

Lungimea cursei pistonului l= 600 [mm]= 0.6 [m];

Inlocuind în relația de calcul a puterii minime rezultă:

Soluția constructivă se va alege în funcție de Pmin conform următoarelor criterii:

Pmin1kw, se alege acționarea pneumo-hidraulică sau hidraulică cu

pompă de debit constant cu unul sau două debite.

Pmin1, se va alege una din soluțiile:

Pompă cu debit constant;

Pompă cu debit reglabil;

Prin urmare soluția optimă ce ține seamă de aceste aspecte este reprezentată de pompa cu debit constant și motor hidraulic liniar.

Calculul dimensiunilor motorului hidraulic

Suprafața de intrare a cilindrului:

D=== 11.28 [cm]

unde: D – diametrul interior al cilindrului;

Fa – forța maximă;

Si – suprafața de intrare a cilindrului;

Din gama șirurilor normalizate, seria ușoară se adoptă diametrul interior al cilindrului ISO6020-2, D= 125 [mm]= 12.5[cm]

Motorul hidraulic are urmatoarele caracteristici tehnice:

Diametrul interior al cilindrului: D= 125 [mm];

Diametrul tijei pistonului: d= 56 [mm];

Lungimea cursei: L= 630 [mm];

Forța maximă: F= 12270[daN];

Presiunea: P=100 [daN/ cm];

Calculul suprafeței de intrare a cilindrului

unde: Se – suprafața de ieșire a cilindrului;

D – diametrul interior al cilindrului;

Calculul suprafeței de ieșire a cilindrului

unde: Se – suprafața de ieșire a cilindrului;

D – diametrul interior al cilindrului;

d – diametrul tijei pistonului;

Calculul debitului minim si maxim al cilindrului

unde: Q – debitul de alimentare al cilindrului [cm/min];

v – viteza de deplasare [m/min];

S – aria suprafeței de intrare și ieșire a cilindrului [cm];

Qmin= QAT

Qmax= QRR

Ținând seamă de randamentul volumic de alimentare, se determina debitul real al pompei:

unde: v –randamentul volumic;

v=0.8

După evaluarea randamentului volumic v, debitul furnizat de pompă se va adopta în funcție de valorile normalizate.

Dacă fluidul debitat de pompă are un debit mai mic decât valoarea Qmin, există riscul ca mecanismul să execute o mișcare cu întreruperi, putând genera apariția unor șocuri în sistem.

Calculul forțelor ce acționează asupra cilindrului

unde: Fetp – frecarea la etanșare a pistonului cu cilindrul;

Fett – etanșarea între capac si tijă;

Ff – forța de frecare în ghidaje;

Ff =0;

Fa – forța maximă;

Pese= 0, deoarece se ține cont doar de sarcinile mecanice.

Calculul forțelor de frecare în ghidaje

Fp=0;

G=150 [daN];

=0.06;

Calculul forțelor de frecare la etanșarea pistonului cu cilindrul

unde: D – diametrul interior al cilindrului, D= 125 [mm];

d – diametrul inelului, d= 56 [mm];

n – numarul de inele, n= 2 [mm];

ks – presiunea inelelor, ks= 10 [daN/ cm];

Calculul forței de frecare între capac și tijă

Forța de frecare pentru inele de tip “O”, conform STAS 7320-71, este:

unde: n – numarul de inele, n= 2 [mm];

ks – presiunea inelelor, ks= 10 [daN/ cm2];

d – diametrul secțiunii inelului, d= 7 [mm];

dt – diametrul tijei, dt=56 [mm];

Calculul forței de inerție

unde: G – greutatea, G=150 [daN];

vf – viteza finală;

v0 – viteza inițială, v0= 0;

t – timpul de accelerare, t=0.2;

Calculul forței de inerție se realizează pentru faza de accelerare, încetinire și inversare a sensului de deplasare.

Pentru faza de accelerare:

unde: vf – viteza finală, vf =VRR=0.024 [m/s];

v0 – viteza inițială, v0= 0;

Pentru faza de încetinire:

unde: vf – viteza finală, vf =VAT=0.017 [m/s];

v0 – viteza inițială, v0 =VRR=0.024 [m/s];

Pentru faza de inversare a sensului de deplasare:

unde: vf – viteza inițială, vf =VRR=0.024 [m/s];

v0 – viteza finală, v0 =VAT=0.017 [m/s];

Suma forțelor rezistente pentru fiecare fază a ciclului de mișcări:

În faza de accelerare

În faza de avans tehnologic

În faza de încetinire

În faza de inversare a sensului de deplasare

În faza de retragere rapida

Calculul presiunilor utile din motorul hidraulic liniar

Pentru avans tehnologic:

Pentru retragere rapidă:

Calculul puterii utile a acționării hidraulice

Pentru avans tehnologic:

Pentru retragere rapidă:

Calculul diametrului nominal DN a circuitului hidraulic și a aparatelor hidraulice

În urma realizării acestor calcule, se determină gabaritul conductelor și al aparatelor hidraulice, în vederea adoptării unei solutii constructive care să satisfacă cerințele impuse.

Diametrul nominal DN caracterizează astfel viteza de curgere, capacitatea maximă de transport a fluidului, factorul care impune valoarea DN îl reprezintă pierderile de presiune, debitul fluidului, precum și vâscozitatea acestuia.

Diametrul nominal critic se determină pentru un regim de curgere laminară, ce asigură pierderi minime de presiune.

unde: Q –debitul [cm/s];

Recr –numărul Reynolds, Recr=2300;

-vâscozitatea cinematică, =40 [cst]=0.4 [/s];

Pentru avans tehnologic:

D=

Qmin=12516 [/min]= 208.6 [/s]

Pentru retragere rapidă:

D=

Qmax=14124 [/min]= 235.4 [/s]

Adopt DN=35 [mm];

Verificarea vitezei de curgere prin conducte:

unde: S – suprafața interioară a conductelor și a aparatelor;

Qteoretic – debitul teoretic.

Calculăm Reynolds admisibil:

curgerea este de tip laminară

Calculul instalației hidraulice pentru debitarea și reținerea lemnului

Caracteristici impuse:

Fa= 2000 [daN] – forța maximă;

Pmax= 100 [daN/ cm] – presiunea maximă;

VAT= 20 [mm/s] – viteza pe avans tehnologic;

VRR= 30[mm/s] – viteza pe retragere rapidă;

Fig. 3.23 Modul de acționare al forțelor asupra cilindrului

Pentru a calcula puterea minimă necesară se utilizează urmatoarea relație:

unde: Fa – forța maximă [daN];

v – viteza de deplasare [m/min];

Calculul vitezei de deplasare:

Se ține seamă de urmatoarele mărimi de intrare:

Timpul de deplasare pentru avans tehnologic t= 20 [s];

Timpul de deplasare pentru retragere rapidă t= 15 [s];

Lungimea cursei pistonului l= 350 [mm]= 0.35 [m];

Înlocuind în relația de calcul a puterii minime rezultă:

Soluția constructivă se va alege în functie de Pmin conform urmatoarelor criterii:

Pmin1kw, se alege acționarea pneumo-hidraulică sau hidraulică cu

pompă de debit constant cu unul sau două debite.

Pmin1, se va alege una din soluțiile:

Pompă cu debit constant;

Pompă cu debit reglabil;

Prin urmare soluția optimă ce ține seamă de aceste aspecte este reprezentată de pompă cu debit constant și motor hidraulic liniar.

Calculul dimensiunilor motorului hidraulic

Suprafața de intrare a cilindrului:

D=== 5.04 [cm]

unde: D – diametrul interior al cilindrului;

Fa – forța maximă;

Si – suprafața de intrare a cilindrului;

Din gama șirurilor normalizate, seria ușoara se adoptă diametrul interior al cilindrului ISO6020-2, D= 63 [mm]= 6.3[cm].

Motorul hidraulic are urmatoarele caracteristici tehnice:

Diametrul interior al cilindrului: D= 63 [mm];

Diametrul tijei pistonului: d= 28 [mm];

Lungimea cursei: L= 320 [mm];

Forța maximă: F= 6546 [daN];

Presiunea: P=210 [daN/ cm];

Calculul suprafeței de intrare a cilindrului

unde: Se – suprafața de ieșire a cilindrului;

D – diametrul interior al cilindrului;

Calculul suprafeței de ieșire a cilindrului

unde: Se – suprafața de ieșire a cilindrului;

D – diametrul interior al cilindrului;

d – diametrul tijei pistonului;

Calculul debitului minim și maxim al cilindrului

unde: Q – debitul de alimentare al cilindrului [cm/min];

v – viteza de deplasare [m/min];

S – aria suprafeței de intrare și ieșire a cilindrului [cm];

Qmin= QAT

Qmax= QRR

Ținând seamă de randamentul volumic de alimentare, se determină debitul real al pompei:

unde: v –randamentul volumic;

v=0.8

După evaluarea randamentului volumic v, debitul furnizat de pompă se va adopta în funcție de valorile normalizate.

Dacă fluidul debitat de pompă are un debit mai mic decât valoarea Qmin, există riscul ca mecanismul să execute o mișcare cu întreruperi, putând genera apariția unor șocuri în sistem.

Calculul forțelor ce acționează asupra cilindrului

unde: Fetp – frecarea la etanșare a pistonului cu cilindrul;

Fett – etanșarea între capac si tijă;

Ff – forța de frecare în ghidaje;

Ff =0;

Fa – forta maximă;

Pese= 0, deoarece se ține cont doar de sarcinile mecanice.

Calculul forțelor de frecare în ghidaje

Fp=0;

G=40 [daN];

=0.06;

Calculul forțelor de frecare la etanșarea pistonului cu cilindrul

unde: D – diametrul interior al cilindrului, D= 63 [mm];

d – diametrul inelului, d= 28 [mm];

n – numarul de inele, n= 2 [mm];

ks – presiunea inelelor, ks= 10 [daN/ cm2];

Calculul forței de frecare între capac si tijă

Forța de frecare pentru inele de tip “O”, conform STAS 7320-71, este:

unde: n – numarul de inele, n= 2 [mm];

ks – presiunea inelelor, ks= 10 [daN/ cm2];

d – diametrul secțiunii inelului, d= 4 [mm];

dt – diametrul tijei, dt=28 [mm];

Calculul forței de inerție

unde: G – greutatea, G=40 [daN];

vf – viteza finală;

v0 – viteza inițială, v0= 0;

t – timpul de accelerare, t=0.2;

Calculul forței de inerție se realizează pentru faza de accelerare, încetinire și inversare a sensului de deplasare.

Pentru faza de accelerare:

unde: vf – viteza finală, vf =VRR=0.023 [m/s];

v0 – viteza inițială, v0= 0;

Pentru faza de încetinire:

unde: vf – viteza finală, vf =VAT=0.017 [m/s];

v0 – viteza inițială, v0 =VRR=0.023 [m/s];

Pentru faza de inversare a sensului de deplasare:

unde: vf – viteza inițială, vf =VRR=0.023 [m/s];

v0 – viteza finală, v0 =VAT=0.017 [m/s];

Suma forțelor rezistente pentru fiecare fază a ciclului de mișcări:

În faza de accelerare

În faza de avans tehnologic

În faza de încetinire

În faza de inversare a sensului de deplasare

În faza de retragere rapidă

Calculul presiunilor utile din motorul hidraulic liniar

Pentru avans tehnologic:

Pentru retragere rapidă:

Calculul puterii utile a acționării hidraulice

Pentru avans tehnologic:

Pentru retragere rapidă:

Calculul diametrului nominal DN a circuitului hidraulic și a aparatelor hidraulice

În urma realizării acestor calcule, se determină gabaritul conductelor și al aparatelor hidraulice, în vederea adoptării unei soluții constructive care să satisfacă cerințele impuse.

Diametrul nominal DN caracterizează astfel viteza de curgere, capacitatea maximă de transport a fluidului, factorul care impune valoarea DN îl reprezintă pierderile de presiune, debitul fluidului, precum si vâscozitatea acestuia.

Diametrul nominal critic se determină pentru un regim de curgere laminară, ce asigură pierderi minime de presiune.

unde: Q –debitul [cm/s];

Recr –numărul Reynolds, Recr= 2300;

-vâscozitatea cinematică, =40 [cst]=0.4 [/s];

Pentru avans tehnologic:

D=

Qmin=2626 [/min]= 43.76 [/s]

Pentru retragere rapidă:

D=

Qmax=4363 [/min]= 72.71 [/s]

Adopt DN=16 [mm];

Verificarea vitezei de curgere prin conducte:

unde: S – suprafața interioară a conductelor și aparatelor;

Qteoretic – debitul teoretic.

Calculam Reynolds admisibil:

curgerea este de tip laminară

Codificarea aparatelor

Pompă: X2P4902EPOA []

Drosel: NDRV-DN16-G3/4-1A []

Supapă presiune: PRM7-PT6/10N/S []

Distribuitor: DS3-TA/16N-D24K1 – 4/2

DS3- S1/16N-D24K1 – 4/3 []

Cilindru despicare: CK-P125/56*630-C002

Cilindru debitare: CK-P 63/28*320-C002

Cilindru reținere: CK-P 63/28*320-C002 []

Calculul pierderilor ce apar în instalația hidraulică

Calculul pierderilor de presiune

Calculul pierderilor de presiune pentru avans tehnologic

Calculul pierderilor de presiune liniară

[daN/cm]

unde:

v= 175.04 [cm/s] – viteza de curgere a lichidului

l= 4*10[mm] – lungimea conductei

d=D= [mm] – diametrul interior al conductei

Calculul pierderii de presiune locală

unde:

– coeficient de pierdere

Q= 2.626 [l/min] – debitul de lichid

d= 1.6 [cm] – diametrul interior al conductei

= 0.9 [daN/dm] – greutatea specifică a lichidului

Calculul pierderii totale de presiune

Calculul pierderilor de presiune pentru retragere rapidă

Calculul pierderilor de presiune liniară

[daN/cm]

unde:

v= 361.74 [cm/s] – viteza de curgere a lichidului

l= 4*10[mm] – lungimea conductei

d=D= [mm] – diametrul interior al conductei

Calculul pierderii de presiune locală

unde:

– coeficient de pierdere

Q= 4.363 [l/min] – debitul de lichid

d= 1.6 [cm] – diametrul interior al conductei

= 0.9 [daN/dm] – greutatea specifică a lichidului

Calculul pierderii totale de presiune

Calculul pierderilor de debit

Pentru a calcula pierderile de debit ce acționează asupra elementelor mobile ale distribuitorului se utilizează formula lui Schiller:

unde: p –diferența de presiune dintre cele două camere prin îmbinare mobilă;

p=0.5 [daN/cm2]

d –diametrul pistonului;

d=28 [mm]=2.8 [cm]

s –jocul maxim în ajustaje;

s=0.03 [mm]

l –lungimea axială a fantei;

l= 2*10 =20 [mm] –deoarece are loc prin două părți;

-vâscozitatea cinematică;

=0.38 [Cst]

-vâscozitatea specifică a lichidului;

=0.9

Calculul pompei

Calculul presiunii efective

Calculul presiunii efective a pompei pentru avans tehnologic

Pcil=Put

Pp=Pcil+

Pcil=102.05 [daN/cm]

Pp=102.05+406.9=508.95 [daN/cm]

Calculul presiunii efective a pompei pentru retragere rapidă

Pcil=Put

Pp=Pcil+

Pcil=50.1 [daN/cm]

Pp=50.1+406.9=457 [daN/cm]

Calculul debitului efectiv

Qp=Qcil+

Calculul debitului efectiv al pompei pentru avans tehnologic

Qp=2.626+14.23=16.85[l/min]

Calculul debitului efectiv al pompei pentru retragere rapidă

Qp=4.363+14.23=18.593 [l/min]

Pentru a asigura necesarul procesului tehnologic, instalația hidraulică va fi acționată de o pompă cu roți dințate grupa 3, de presiune mare, având Qp=21[l/min] si p=290 [daN/cm]

Calculul volumului rezervorului

Cantitatea de caldură degajată de instalația hidraulică în momentul funcționării se determină utilizand relația:

unde: pp – puterea motorului;

Qc – cantitatea de caldură degajată;

Volumul rezervorului hidraulic va rezulta din relația:

Pentru a asigura buna funcționare a instalației hidraulice în condiții severe de exploatare, rezervorul se va dimensiona la 100 [dm], astfel încat să se asigure o răcire, cât și o filtrare suficientă a uleiului hidraulic.

Modul de realizare a a grupului hidraulic este prezentat în detaliu în conformitate cu desenul PROSplit-00-00.

În continuare va fi prezentat modul de funcționare și exploatare a instalației hidraulice din cadrul utilajului de debitat și despicat lemne.

Descrierea grupului hidraulic

Unitatea de putere din cadrul utilajului de debitat și despicat lemne având numarul desenului PROSPLIT-00-1 este destinată acționării a trei cilindrii hidraulici.

Unitatea se compune dintr-un rezervor de ulei (4) cu o capacitate de 100 litrii, pe care sunt amplasate electropompa, aparatele de control și de reglare.

Pentru umplerea și aerisirea rezervorului s-a montat un buson de umplere și aerisire (11), iar cantitatea de ulei din rezervor poate fi vizualizată pe indicatorul de nivel (5). Golirea uleiului hidraulic se va realiza prin intermediul robinetului (6) dispus în partea de jos a rezervorului.

Electropompa este formată dintr-un motor asincron trifazat (18) ce dispune de o putere de 4 [kw] la o turație de 2850 [rot/min], o pompă cu roți dințate (13) ce furnizează un debit de 14.4 [cm/rot], un corp de legătură între ele (16) și un cuplaj elastic (17).

Uleiul furnizat de pompă este controlat de o supapă de presiune (1) care nu permite creșterea presiunii peste valoarea reglată. Presiunea maximă admisa este de 100 [daN/ cm]. Monitorizarea presiunii din instalație se realizează prin intermediul unui manometru cu glicerina (20). Manometrul este precedat de un robinet (21) pentru a putea opri în orice moment pătrunderea fluidului hidraulic în manometru sau pentru a preîntampina eventualele disfuncționalități ale acestuia.

Reglarea vitezei de deplasare a cilindrilor hidraulici se realizează individual prin intermediul droselelor de traseu (2) montate pe trei ieșiri ale blocului de distribuție (3).

Modul de funcționare și reglare

Pentru punerea în funcțiune a grupului hidraulic, se va umple rezervorul cu ulei de tip ISO VG46 pâna la mijlocul indicatorului de nivel (5). Se deschide la maxim supapa de presiune (1). Ulterior se acționează motorul electric pentru o perioadă de maxim 2 secunde, pentru verificarea sensului de rotație a acestuia, privind spre ventilatorul motorului, sensul de rotație trebuie să fie spre dreapta. Dacă sensul de rotație nu este corect, se va modifica conectarea la panoul electric a motorului.

După stabilirea sensului corect de rotație al motorului se poate regla presiunea din instalație acționând șurubul de reglare al supapei de presiune la o valoare cuprinsă între 35-100 [bar], vizibilă pe manometru. După reglare se strânge piulița de blocare a șurubului de reglare al supapei de presiune.

Schimbul de ulei se va efectua la un interval de 2000 ore de funcționare, sau la un interval de 1 an de la schimbul precedent. Dacă manometrul prezent pe filtrul de retur indică o valoare din zona roșie a acestuia, va trebui înlocuit filtrul, și daca este cazul se va face schimbul de ulei, urmărind posibilele cauze care ar putea genera disfuncționalitățile.

Proiectarea schemei de acționare si comandă

Acționarea reprezintă partea care asigură energia necesară desfașurării proceselor ce concură la realizarea procesului tehnologic.

Comanda presupune implementarea logicii de fincționare a acționării, aceasta fiind de mai multe tipuri:

manuală, caz în care operatorul uman reprezintă partea de decizie din proces;

automată, presupune existența unei inteligențe artificiale care are rolul de decizie, PC, PLC, microcontroller sau schema cablată.

Automatul flexibil este constituit din PC, PLC sau microcontroller, pe cand schema cablată reprezintă automatul rigid.

Avantajul utilizării automatului flexibil îl reprezintă faptul că pentru a modifica procesul tehnologic, este necesară modificarea programului, pe când la automatul rigid modificarea programului se poate realiza doar prin modificarea cablajului.

Comanda permite controlul de la distanță a mașinilor și utilajelor, permite creșterea flexibilității sistemului de control care înseamnă adaptarea rapidă a sistemului tehnologic la cerințele pieții.

Automatizarea presupune inlocuirea operatorului uman din faza de decizie, aceasta luându-se automat pe baza unei logici, cu scopul reducerii timpilor auxiliari și creșterea productivității.

Pentru implementarea automatizării sunt necesare sisteme senzoriale, care împreună cu automatele programabile asigură flexibilitatea sistemului.

Flexibilitatea reprezintă capacitatea sistemului de a se adapta rapid și cu ușurință la noile condiții impuse de procesul de producție.

Schema de comanda trebuie să îndeplinească anumite conditii, astfel încât să asigure succesiunea operațiilor și reluarea automată a acestora:

Descrierea fazelor procesului tehnologic:

Alimentarea cu lemn se realizează în mod manual de către operatorul uman.

Deplasarea conveiorului se realizează automat, acționând motorul electric din componența acestiua, doar dacă este îndeplinită condiția ML2=1, ML4=1, ML6=1, ML7=0, adică mecanismul de debitare să fie în poziția de sus, mecanismul de prindere a lemnului să fie în poziția de sus, mecanismul de despicat să fie retras, iar senzorul ML7 să nu fie acționat, fapt ce sugerează absența lemnului. Această fază se desfășoară până în momentul în care senzorul ML7 sesizeză prezența lemnului, stabilind astfel dimensiunea la care se va debita lemnul.

Prinderea lemnului se realizează automat, acționând electromagnetul E3 al distribuitorului D2, concomitent cu acționarea electromagnetului E7 al distribuitorului D4, doar dacă este îndeplinită condiția ML4=1, ML7=1, adică mecanismul de prindere a lemnului să fie în poziția de sus, iar senzorul ML7 să sesizeze prezența lemnului . Această fază se desfășoară până în momentul în care senzorul ML3 sesizează coborârea mecanismului de prindere întrerupând acționarea celor doua distribuitoare.

Debitare lemn se realizează automat, acționând electromagnetul E1 al distribuitorului D1, simultan cu acționarea electromagnetului E7 al distribuitorului D4, doar dacă este îndeplinită condiția ML2=1, ML3=1, ML7=1, adică mecanismul de debitare să fie in poziția de sus, mecanismul de prindere a lemnului să fie în poziția de jos, iar senzorul ML7 să sesizeze prezența lemnului . Această fază se desfașoară până în momentul în care senzorul ML1 sesizează coborârea mecanismului de debitare, fapt ce sugerează debitarea lemnului, întrerupând acționarea celor doua distribuitoare.

Retragere mecanism debitare se realizează automat, acționând electromagnetul E2 al distribuitorului D1, concomitent cu acționarea electromagnetului E7 al distribuitorului D4, doar dacă este îndeplinită condiția ML1=1, ML7=0, adică mecanismul de debitare să fie in poziția de sus, iar senzorul ML7 să nu fie acționat, fapt ce sugerează căderea lemnului debitat în zona de despicare.

Eliberare lemn se realizează automat, acționând electromagnetul E4 al distribuitorului D2, simultan cu acționarea electromagnetului E7 al distribuitorului D4, doar dacă este îndeplinită condiția ML2=1, ML3=1, ML7=0, adică mecanismul de debitare să fie in poziția de sus, mecanismul de prindere a lemnului să fie în poziția de jos, iar senzorul ML7 să nu fie acționat, acest fapt sugerează că lemnul este prezent în zona de despicare.

Despicare lemn se realizează automat, acționând electromagnetul E5 al distribuitorului D3, concomitent cu acționarea electromagnetului E7 al distribuitorului D4, doar dacă este îndeplinită condiția ML3=1, ML6=1, ML7=0, mecanismul de prindere a lemnului să fie în poziția de jos, mecanismul de despicare sa fie ratras, iar senzorul ML7 să nu fie acționat, acest fapt sugerează că lemnul este prezent în zona de despicare, și urmează a fi procesat.

Retragere mecanism despicare se realizează automat, acționând electromagnetul E6 al distribuitorului D3, concomitent cu acționarea electromagnetului E7 al distribuitorului D4, doar dacă este îndeplinită condiția ML5=1, ML7=0, adică mecanismul de despicare sa fie extins, iar senzorul ML7 să nu fie acționat, fapt ce confirma finalizarea despicării lemnului.

Reluarea ciclului tehnologic se realizează automat, acționând motorul electric din componența conveiorului, doar dacă este îndeplinită condiția ML2=1, ML4=1, ML6=1, ML7=0, adică este reluată faza a doua a procesului tehnologic.

Acționarea electromagnetului E7 al distribuitorului D4 este necesară la fiecare deplasare a cilindrilor hidraulici în vederea realizării presiunii în instalația hidraulică. În cazul în care acesta nu este acționat, fluidul debitat de pompă este recirculat nemijlocit către rezervor.

În continuare vor fi prezentate posibilitățile de automatizare a utilajului de debitat și despicat lemne, ținând seamă de gradul de flexibilitate și costul acestora.

Automatizare prin intermediul schemei cablate

Schema cablată constituie automatul rigid, fiind cea mai ieftină de realizat, dar prezintă dezavantajul că nu se poate asigura o flexibilitate ridicată din pricina faptului că modificarea ciclului de mișcări presupune modificarea schemei cablate.

La constituirea unei scheme de comandă trebuie avut în vedere faptul ca butonul de oprire să fie capabil să întrerupă în orice moment alimentarea cu energie electriă. Ținând seamă de acest aspect, conectarea la sursa de curent a schemei de comandă se va realiza prin contactul normal închis al butonului STOP, aflat pe telecomandă, dar și la ușile de protecție a utilajului.

Circuitul de comandă este realizat prin intermeduil unor relee, care sub acțiunea unui impuls de comandă deschid sau inchid un contact.

Impulsul de comandă este dat de senzorii de proximitate, în funcție de starea în care aceștia se află, conform tabelul 3.1 Schema logică de acționare a motoarelor hidraulice liniare.

Pentru realizarea automatului rigid se utilizează relee de tipul CP1A-12V, avand o tensiune de comandă cuprinsă între 12 și 16V, un contact normal închis (NC) și un contact normal deschis (NO).

Fig. 3.25 Releu CP1A-12V

Senzorii de proximitate utilizați pentru automatizarea ciclului de mișcări a utilajului de debitat și despicat lemne, sunt de tip optic și inductivi, prin intermediul cărora se poate stabili poziția certă a mecanismelor ce realizează prodesul tehnologic la limitele extreme ale curselor acestora.

Schema cablată este proiectată ca o înlănțuire de operații succesive, controlate prin ordinea de activare a senzorilor, realizând pas cu pas fiecare fază a procesului tehnologic.

Pentru o mai bună înțelegere a modului de funcționare, schema de comandă a fost împărțita în doua subansambluri, respectiv schema de comandă a utilajului de debitat și despicat lemne și panoul de comandă a utilajului de debitat și despicat lemne.

În continuare se va explica detaliat modul de funcționare al schemei de comandă, pentru fiecare din modurile de funcționare.

Modul AUTOMAT

Inițializarea procesului tehnologic în modul automat de funcționare se realizează acționand comutatorul C1, din panoul de comandă, în poziția 1 corespunzătoare modului automat. Ulterior se acționează butonul AUTOMAT pentru inițierea ciclului de mișcări ce concură la realizarea procesului.

Amplasarea în serie a senzorilor crează o dependență între aceștia, fiind obligatorie acționarea tuturor senzorilor necesari realizării unei anumite faze în vederea inițierii ciclului de mișcări.

Tabelul 3.2 Ciclograma de acționare și comandă pentru modul automat

Modul MANUAL

Inițializarea procesului tehnologic în modul manual de funcționare se realizează acționând comutatorul C1, din panoul de comandă, în poziția 3 corespunzătoare modului manual. Ulterior se acționează butonul MANUAL pentru inițierea ciclului de mișcări ce concură la realizarea procesului.

Pentru a acționa manual un ciclu de mișcări este necesară menținerea butonului MANUAL apăsat concomitent cu butonul comenzii ce urmează a se desfașura. Acest aspect reprezintă o măsură de siguranță împotriva acționării accidentale a butoanelor, dar totodată constrânge operatorul uman să aibă în permanență ambele mâini pe panoul de comandă, evitând anumite riscuri inerente procesului tehnologic.

Tabelul 3.3 Ciclograma de acționare și comandă pentru modul manual

Faza de deplasare manuală a conveiorului

Acționarea manuală a conveiorului se poate face indiferent dacă pe acesta este prezent sau nu un lemn, cu observația că în situația în care un lemn este prezent pe conveior, deplasarea conveiorului va fi limitată de cursa reglată prin intermediul senzorului ML7.

În urma apăsării concomitente a butonului MANUAL și a celui de acționare a conveiorului din ramura (72), prin intermediul contactului normal închis al senzorului ML7 din ramura (73), este alimentat releul R25 închizând contactul normal deschis al acestuia din ramura (44), alimentând cu energie electrică motorul electric din componența conveiorului.

Dacă senzorul ML7 sesizează prezența lemnului, acesta își modifică starea din 0 în 1, moment în care contactul normal închis al senzorului din ramura (73) se deschide, oprind alimentarea motorului.

Faza de prindere manuală a lemnului

Acționarea manuală a mecanismului de prindere a lemnului se poate face indiferent dacă pe conveior este prezent sau nu un lemn, indiferent de situație deplasarea mecanismului de prindere va fi limitată de starea de 0 sau 1 a senzorului ML3.

În urma apăsării concomitente a butonului MANUAL și a celui de acționare a mecanismului de prindere din ramura (64), prin intermediul contactului normal închis al senzorului ML3 din ramura (65), este alimentat releul R21 închizând contactul normal deschis al acestuia din ramura (35), alimentând concomitent bobina electromagnetului E3 a distribuitorului D2, cât și bobina electromagnetului E7 a distribuitorului D4.

Dacă senzorul ML3 sesizează prezența lemnului, acesta își modifică starea din 0 în 1, moment în care contactul normal închis al senzorului din ramura (65) se deschide, oprind alimentarea distribuitorului.

Faza de debitare manuală a lemnului

Acționarea manuală a mecanismului de debitare a lemnului se poate face indiferent dacă pe conveior este prezent sau nu un lemn, indiferent de situație deplasarea mecanismului de debitare va fi limitată de starea de 0 sau 1 a senzorului ML1.

În urma apăsării concomitente a butonului MANUAL și a celui de acționare a mecanismului de prindere din ramura (60), prin intermediul contactului normal închis al senzorului ML1 din ramura (61), este alimentat releul R19 închizând contactul normal deschis al acestuia din ramura (31), alimentând concomitent bobina electromagnetului E1 a distribuitorului D1, cât și bobina electromagnetului E7 a distribuitorului D4.

Dacă senzorul ML1 sesizează finalizarea debitării lemnului, acesta își modifică starea din 0 în 1, moment în care contactul normal închis al senzorului din ramura (61) se deschide, oprind alimentarea distribuitorului.

Faza de retragere manuală a mecanismului de debitare a lemnului

Acționarea manuală a retragerii mecanismului de debitare a lemnului se poate face indiferent dacă pe conveior este prezent sau nu un lemn, indiferent de situație deplasarea mecanismului de debitare va fi limitată de starea de 0 sau 1 a senzorului ML2.

În urma apăsării concomitente a butonului MANUAL și a celui de acționare a mecanismului de prindere din ramura (62), prin intermediul contactului normal închis al senzorului ML2 din ramura (63), este alimentat releul R20 închizând contactul normal deschis al acestuia din ramura (33), alimentând concomitent bobina electromagnetului E2 a distribuitorului D1, cât și bobina electromagnetului E7 a distribuitorului D4.

Dacă senzorul ML2 sesizează finalizarea retragerii mecanismului de debitare a lemnului, acesta își modifică starea din 0 în 1, moment în care contactul normal închis al senzorului din ramura (63) se deschide, oprind alimentarea distribuitorului.

Faza de retragere manuală a mecanismului de prindere a lemnului

Acționarea manuală a retragerii mecanismului de prindere a lemnului se poate face indiferent dacă pe conveior este prezent sau nu un lemn, indiferent de situație deplasarea mecanismului de prindere va fi limitată de starea de 0 sau 1 a senzorului ML4.

În urma apăsării concomitente a butonului MANUAL și a celui de acționare a mecanismului de prindere din ramura (66), prin intermediul contactului normal închis al senzorului ML4 din ramura (67), este alimentat releul R22 închizând contactul normal deschis al acestuia din ramura (37), alimentând concomitent bobina electromagnetului E4 a distribuitorului D2, cât și bobina electromagnetului E7 a distribuitorului D4.

Dacă senzorul ML4 sesizează finalizarea retragerii mecanismului de prindere a lemnului, acesta își modifică starea din 0 în 1, moment în care contactul normal închis al senzorului din ramura (67) se deschide, oprind alimentarea distribuitoarelor.

Faza de despicare manuală a lemnului

Acționarea manuală a mecanismului de despicare a lemnului se poate face indiferent dacă pe conveior este prezent sau nu un lemn, indiferent de situație deplasarea mecanismului de despicare va fi limitată de starea de 0 sau 1 a senzorului ML5.

În urma apăsării concomitente a butonului MANUAL și a celui de acționare a mecanismului de prindere din ramura (68), prin intermediul contactului normal închis al senzorului ML5 din ramura (69), este alimentat releul R25 închizând contactul normal deschis al acestuia din ramura (39), alimentând concomitent bobina electromagnetului E5 a distribuitorului D3, cât și bobina electromagnetului E7 a distribuitorului D4.

Dacă senzorul ML5 sesizează finalizarea despicării lemnului, acesta își modifică starea din 0 în 1, moment în care contactul normal închis al senzorului din ramura (69) se deschide, oprind alimentarea distribuitorului.

Faza de retragere manuală a mecanismului de despicare a lemnului

Acționarea manuală a retragerii mecanismului de despicare a lemnului se poate face indiferent dacă pe conveior este prezent sau nu un lemn, indiferent de situație deplasarea mecanismului de prindere va fi limitată de starea de 0 sau 1 a senzorului ML6.

În urma apăsării concomitente a butonului MANUAL și a celui de acționare a mecanismului de prindere din ramura (70), prin intermediul contactului normal închis al senzorului ML6 din ramura (71), este alimentat releul R24 închizând contactul normal deschis al acestuia din ramura (41), alimentând concomitent bobina electromagnetului E6 a distribuitorului D3, cât și bobina electromagnetului E7 a distribuitorului D4.

Dacă senzorul ML6 sesizează finalizarea retragerii mecanismului de prindere a lemnului, acesta își modifică starea din 0 în 1, moment în care contactul normal închis al senzorului din ramura (71) se deschide, oprind alimentarea distribuitorului.

Datorită posibilitații de apariție a unor evenimente neprevăzute în timpul procesului tehnologic, cum ar fi întreruperea energiei electrice, o defecțiune mecanică, sau un blocaj de orice natură, în urma căruia mecanismele ce concură la realizarea ciclului tehnologic vor fi deplasate din raza de acțiune a senzorilor, astfel încat nu se poate stabili o referința între acestea și cadrul utilajului, efectul fiind imposibilitatea reluării automate a procesului.

Pentru a rezolva aceasta situație ce pune în dificultate continuitatea mișcărilor realizate de utilaj, se poate interveni manual prin acționarea mecanismelor de prindere, debitare, respectiv despicare către poziția de zero a acestora, prin acționarea butoanelor E2, E4, respectiv E6 ale panoului de comandă.

Dat fiind faptul că această chestiune implică anumite decizii ce trebuiesc luate de către operatorul uman, s-a recurs la eliminarea acestuia din faza de decizie prin implementarea unui buton RESET. Acesta realizează aducerea în poziția de zero a mecanismelor mai sus menționate prin apăsarea concomitentă a butonului MANUAL respectiv RESET. În momentul acționării butoanelor, releul R18 din circuitul (A) este alimentat de la butonul MANUAL prin intermediul circuitului (G) și al contactului normal deschis al butonului RESET.

Astfel sunt evitați senzorii care în modul automat ar realiza inițierea mișcărilor mecanismelor. Alimentarea releelor: R4 din ramura (11), R6 din ramura (15) și R7 din ramura (22), care comandă electromagneții distribuitoarelor, se realizează direct prin intermediul contactelor normal deschise ale releului R18 din ramurile (13), (17) și (25).

Scurtă descriere a schemei de comandă:

Aceasta se compune din intrări, reprezentate de sistemele senzoriale, blocul de decizii reprezentat de releele dispuse în serie și în paralel, necesare pentru interpretarea informațiilor furnizate de senzori și ieșiri reprezentate de elementele hidraulice de acționare a instalației prin electromagneții distribuitoarelor, dar și motorul electric din componența conveiorului.

Scurtă descriere a panoului de comandă:

Panoul de comandă este constituit dintr-o telecomandă în care se regăsesc urmatoarele:

Buton de stop;

Comutator cu trei poziții pentru selectarea modului de funcționare;

Buton de start a fazei de automat;

Buton de start a fazei de manual;

Buton de reset pentru aducerea în referințe a mecanismelor;

Butoane de control a mișcării mecanismelor în modul manual;

Automatizare prin intermediul microcontroller-elor

În scopul implementării schemei de automatizare s-a recurs la utilizarea unei plăci de dezvoltare de tip ARDUINO MEGA 2560. Aceasta înglobează un microcontroller programabil de tip Atmega2560, prin intermediul căruia se pot gestiona impulsurile furnizate la ieșiri, interogând pas cu pas liniile din program. Avantajul principal al acestei metode față de utilizarea unui PLC în automatizarea procesului tehnologic îl reprezintă faptul că intrările pot fi și ieșiri, acestea fiind definite în program.

Pentru alimentarea plăcii de dezvoltare, este recomandată o tensiune cuprinsă între 7 și 12VDC, iar tensiunea furnizată pentru fiecare pin este de 5VDC, curentul maxim fiind de 40mA. Opțional poate furniza 3.3VDC, curentul maxim fiind de 50mA.

Placa de dezvoltare ARDUINO MEGA 2560 are în componența sa urmatoarele:

54 de pini digitali, prin intermegiul cărora se pot gestiona relee, și alte elemente care funcționeaza pe principiul on/off.

16 pini analogici, cu ajutorul acestora se poate transmite un semnal variabil cu o tensiune cuprinsă între 0 și 5V, în funcție de valoarea curentului transmisă la intrare.

Pentru controlul electromagneților distribuitoarelor, dar și a motorului electric al conveiorului se utilizează o placa cu relee de tipul 16-Channel 12V Rellay Module, care este comandată de ARDUINO prin intermediul pinilor digitali 29 până la 36. Fiecărui element necesar realizării deplasărilor mecanismelor utilajului i s-a atribuit un releu de la R1 până la R8.

Senzorii au fost conectați la ARDUINO în intrarile corespunzătoare pinilor 22 până la 28.

În continuare este detaliat programul necesar realizării acționării automate a conveiorului.

void actionare_conveior(){

Senzor7status=digitalRead(Senzor7pin);

Senzor2status=digitalRead(Senzor2pin);

Senzor4status=digitalRead(Senzor4pin);

Senzor6status=digitalRead(Senzor6pin);

Relaypin1status=digitalRead(Relaypin1status);

if(Relaypin1status==HIGH)

{if(millis()-MillisConveior > timp_dorit)

digitalWrite(Relaypin1, LOW);

else if(Senzor7status==HIGH)

digitalWrite(Relaypin1, LOW);}

else

if(Senzor2status==HIGH && Senzor4status==HIGH && Senzor6status==HIGH)

{digitalWrite(Relaypin1, HIGH);

MillisConveior=millis();}

Prin intermediul codului, sunt interogare stările senzorilor ML2, ML4, ML6 și ML7, în vederea inițierii deplasării conveiorului.

Dacă este îndeplinită condiția de acționare a acestuia, motorul electric este alimentat până când senzorul ML7 sesizează prezența lemnului modificându-și starea din 0 în 1, sau după trecerea unui interval de timp menționat în program.

În mod analog se vor realiza fazele ce concură la realizarea procesului tehnologic conform condițiilor prezentate în tabelul 3.1, pe baza programului prezent în memoria ARDUINO.

Concluzii

Concluzionând asupra elementelor aduse în discuție în prezenta lucrare, se constată faptul că se poate obține prin îmbinarea unei unități de acționare hidraulică cu o construcție simplă și a unor elemente de acționare și comandă, prin intermediul cărora sunt controlate mișcările mecanismelor, un utilaj automat performant care să corespundă cetințelor actuale.

Totodată prin simplitatea elementelor componente utilizate se reduce costul final al utilajului odată cu sporirea siguranței în exploatare și protecția mediului înconjurător. Protecția mediului crește proporțional cu scăderea numărului de elemente hidraulice, reducându-se astfel riscul de poluare prin apariția unor defecțiuni.

Prin creșterea gradului de automatizare a utilajului de procesat lemne, este redus proporțional volumul de muncă al operatorului, necesar în vederea realizării procesului tehnologic.

Fiabilitatea utilajului automat este menținută constantă pe toata perioada desfășurării procesului tehnologic, pe cand operatorul uman este predispus erorilor. În graficul de mai jos este indicat faptul că operatorul, în modul manual este ineficient pentru perioade mai lungi de timp, lucru remediat prin implementarea soluției de automatizare a procesului tehnologic.

Fig4.1 Fiabilitatea în timp a utilajului în modul automat respectiv manual

În opinia personală acest utilaj de procesat lemne revoluționează modul prin care sunt obținute lemnele de foc în condiții de siguranță și productivitate ridicată, putând fi un potențial concurent al procesatoarelor existente pe piață în momentul de față.

Anexe

Anexa 1- Modele de arbori secundari

Bibliografie: