Основы прикладных научных исследований при создании нового лесопильного оборудования

М.А. Блохин, Н.Т. Гаврюшина, А.В. Сиротов

Основы прикладных научных 
исследований при создании нового 
лесопильного оборудования

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

ISBN 978-5-7038-5466-2

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

УДК 674.05:621.9
ББК 37.13
        Б70

Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/6975/

Факультет «Лесное хозяйство, лесопромышленные технологии  
и садово-парковое строительство»
Кафедра «Автоматизация технологических процессов, оборудование  
и безопасность производств»

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Блохин, М. А.
Основы прикладных научных исследований при создании нового лесопильного оборудования : учебное пособие / М. А. Блохин, Н. Т. Гаврюшина,  
А. В. Сиротов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 
110, [2] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5466-2

Предназначено для самостоятельной работы студентов при изучении 
дисциплины «Дереворежущие станки и инструменты». Приведено описание 
основ прикладных и научных исследований при создании новой техники 
автоматизированных производств, современных технологий и способов 
проектирования. Представлены решения и расчеты конкретных конструкторско-технологических задач, направленных на создание и эксплуатацию 
нового роботизированного энергосберегающего оборудования повышенной 
производительности для обработки древесины и других твердых материалов.
Для студентов технических вузов, может представлять интерес для преподавателей и инженеров, а также разработчиков оборудования аналогичного функционального назначения с круговым поступательным движением 
полотен.

УДК 674.05:621.9
ББК 37.13

Б70

Предисловие

Настоящее учебное пособие предназначено для использования студентами в качестве вспомогательного материала при самостоятельном освоении 
дисциплины «Дереворежущие станки и инструменты».
В пособии приведены примеры расчетов прочности и долговечности 
пильных полотен, а также вариант работы модулей пильного блока в режиме 
обратной отрицательной связи, отсутствующей в других распиловочных 
устройствах с пильными полотнами. 
Представлены решения и расчеты конкретных конструкторско-технологических задач, направленных на создание и эксплуатацию принципиально 
нового энергосберегающего оборудования повышенной производительности 
для производства паркета, ламелей, обрезной доски, двухкантного бруса 
высокого качества. 
Рекомендовано студентам технических вузов в качестве учебного пособия 
для изучения основ прикладных и научных исследований при создании новой 
техники. Материалы пособия могут представлять интерес для преподавателей, 
бакалавров, магистров и инженеров, а также разработчиков модификаций 
оборудования с круговым поступательным движением полотен (исполнительных элементов). 

Введение

В условиях рыночной экономики конкурентная борьба за потребителей 
требует от предприятий постоянного обновления выпускаемой продукции, 
повышения ее качества, максимального удовлетворения пожеланий заказчиков. Это обусловливает необходимость сокращения сроков и стоимости 
инженерной подготовки производства, качественного совершенства разрабатываемых проектов.
Существуют два пути развития производства: экстенсивный и интенсивный. Экстенсивный путь предполагает увеличение объемов производства при 
использовании сложившихся технологий, оборудования, приемов и способов 
организации производства за счет пропорционального роста расхода энергии, 
сырья, материалов, транспорта и вовлечения новых трудовых ресурсов. Однако такой путь бесперспективен, так как при этом не повышается качество 
и не снижается себестоимость продукции, что делает ее неконкурентоспособной и затратной; увеличивается нагрузка на окружающую среду и требуется все большее число работающих (но невысокой квалификации); не используются достижения науки и не разрабатываются высокие технологии.
Следует отметить, что такой подход характерен для нашей страны начиная с 1960-х годов и до настоящего времени. Историей доказано, в том 
числе и историей США, что добывающая экономика не заинтересована  
в инновациях промышленных производств. Имея повышенные доходы  
и лоббируя свои интересы во властных структурах, руководители монопольных объединений и их окружение прикладывают огромные усилия для сохранения своего привилегированного положения. 
Перспективным является интенсивный путь развития производства, при 
котором во все возрастающих объемах выпускается продукция высокого потребительского качества при минимальных расходах сырья, энергии, мате- 
риалов и человеческих ресурсов.
Интенсификация производства может быть реализована за счет создания 
техники новых поколений и на ее базе — новых высоких технологий.
Характерные черты техники нового поколения, отличающие ее от модернизированной техники: во-первых, реализация новой технической идеи — 
научного открытия, крупного изобретения, комплекса изобретений; во-вторых, 
скачкообразный рост эффективности, повышение производительности труда, 
экономия сырья, снижение материалоемкости и энергозатрат. Для своевременной смены поколений техники необходимо, чтобы первая фаза цикла —
техника нового поколения — опережала последнюю фазу цикла — технику 
предыдущего поколения. Поэтому важно вовремя переориентировать конструкторов и производителей на разработку и освоение техники нового поколения.
Создание современных машин, приборов, новых материалов и технологий — сложный процесс, требующий соответствующей государственной 
политики, создания и восстановления научных школ, аналитических центров, 
отраслевых конструкторских бюро, развития промышленного капитального 

Введение

строительства, подготовки высококвалифицированных специалистов. Следует отметить, что копирование даже передовых зарубежных разработок неминуемо приводит к техническому отставанию. Только изучение тенденций 
развития техники и упреждающий выход вперед позволяют создавать высокоэффективную технику, не имеющую аналогов за рубежом.
Для этого требуется выполнить научно-экономическое прогнозирование 
целесообразности реализации выбранного направления создания образца 
новой техники и определить:

 • патентную чистоту используемых технических решений;
 • преимущества по сравнению с известными лучшими в мире образцами 
новой техники, выполняющими те же функции;

 • влияние создаваемой техники на развитие смежных отраслей промышленности;

 • потребность по годам;
 • возможности и объемы продажи в другие страны;
 • величины затрат на прикладные исследования, разработку технической 
документации, модернизацию действующих машиностроительных предприятий или капитального строительства новых предприятий, подготовку  
и освоение регулярного производства;

 • прогнозируемую цену одного изделия;
 • ожидаемый экономический эффект;
 • срок окупаемости.
Результаты этого этапа носят приблизительный характер, так как может 
отсутствовать достоверная информация о работах конкурентов в этом направлении и полная характеристика создаваемого образца новой техники, 
но ответ на вопрос о целесообразности работ по его созданию может быть 
получен.
Прикладные научно-исследовательские работы выполняются на экспериментальных образцах, которые являются прообразами новой техники. При 
этом создаваемые образцы новой техники должны не только обладать патентной чистотой, но и иметь патентную защиту в тех странах, где предполагается их эксплуатация.
При проведении прикладных исследований заранее формулируются  
и обосновываются конечная цель и задачи, которые необходимо решить для 
ее достижения; должен быть известен объем финансирования для создания 
экспериментального образца и проведения исследований; определены этапы 
и сроки их выполнения. В процессе разработки и создания экспериментального образца новой техники могут возникнуть новые технические решения, 
подлежащие патентованию. 
Конструкторские работы — это деятельность, в результате которой выполняется научная и инженерно-техническая проработка создаваемого образца новой техники с получением технической документации, необходимой 
для его промышленного производства. 
Подготовка серийного производства включает в себя комплекс конструкторских, технологических и организационных работ, связанных с переходом 

Введение

предприятия на массовый или серийный выпуск нового изделия. На этой 
стадии осуществляют корректировку конструкторской документации применительно к конкретным производственным условиям, разработку технологических процессов, проектирование и изготовление оснастки и инструмента, решение организационных вопросов и др. При необходимости 
выполняют производственные исследования, связанные с улучшением качества, экономичности и надежности новых изделий.
Освоение регулярного производства — завершающая стадия создания 
новой техники. Она включает работы, направленные на обеспечение данным 
предприятием ритмичного выпуска новых изделий с заданными техникоэкономическими показателями.
Следует отметить, что создание новой техники — сложный процесс, требующий вложения больших финансовых средств, высокого уровня развития 
науки и техники и наличия высококвалифицированных творческих людей. 
Последнее связано с повышением качества всех видов образования и как 
материального (вознаграждение, соответствующее творческим успехам), так 
и морального (почет и уважение в обществе) социального стимулирования.
Центральное место в системе создания новой техники занимают прикладные научные исследования, которые позволяют:

 • проверить на экспериментальном образце эффективность новых технических решений, используемых в образце новой техники;

 • уточнить целесообразность создания образца новой техники;
 • получить новые технические решения, повышающие эффективность 
работы промышленного образца;

 • получить все исходные материалы, необходимые для конструкторской 
проработки нового образца техники.
В результате успешного усвоения материала, изложенного в данном пособии, у студентов должны сформироваться компетенции (знания), предусмотренные основной профессиональной образовательной программой  
и учебным планом МГТУ им. Н.Э. Баумана на основе самостоятельно устанавливаемого образовательного стандарта по направлению подготовки 
15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Для освоения и изучения данной дисциплины необходимы знания теоретической механики, сопромата, материаловедения, деталей машин, технологии конструкционных материалов, а также основ математики и физики.
Продуктивное освоение дисциплины обеспечивается изучением изложенного в пособии материала с одновременным его обсуждением на семинарах 
и лекциях. 
Самопроверку целесообразно вести, выполняя контрольные расчеты 
силовых и конструктивных параметров узлов и деталей, инерционных сил, 
динамического баланса валов, внецентренного растяжения полосы по методу Эйлера, а также скорости воздушной струи с помощью упрощенного 
уравнения Бернулли.

1. Обоснование и актуальность создания нового  
лесопильного оборудования с круговым поступательным движением 
пильных полотен

1.1. Анализ существующего лесопильного оборудования 

В настоящее время существует широкий спектр станков, который включает в себя три основные конструктивные схемы лесопильного оборудования:
лесорамы — станки с возвратно-поступательным движением пильной 
рамки; 
станки с дисковыми пилами; 
станки с ленточными пилами.
Каждая из трех конструктивных схем имеет свои достоинства и недостатки. 
Лесопильные рамы (например, 
широко применяемые Р63-4Б, мало- 
габаритный станок РМ-50) позволяют одновременно выпиливать 
несколько досок за один проход 
бревна или бруса (рис. 1.1), возможна обработка бревен диаметром 
до 540 мм; имеют достаточно высокую производительность.
К недостаткам следует отнести 
потери энергии до 30...35 % установленной мощности на преодоление сил инерции при возвратно-поступательном движении пильной 
рамки и при синхронизации циклической подачи бревна в зону резания (пиления). Затраты энергии для 
распиловки единицы продукции 
возрастают обратно пропорционально диаметру распиливаемого 
бревна. При среднем диаметре 
бревна 330 мм затраты в 2 раза 
больше, чем при распиловке любым 
другим типом оборудования. Данный фактор становится актуальным 
при постоянном повышении стоимости энергоносителей и по многим другим причинам.
Также существует необходимость 
значительного объема (до 30 % 

Рис. 1.1. Принципиальная схема лесопильной 
рамы с возвратно-поступательным движением 
пильных полотен: 
1 — главный вал; 2 — кривошипно-шатунный механизм; 3 — пильная рамка; 4, 6 — нижние и верхние 
вальцы; 5 — распиливаемое бревно; 7 — направляющие; 8 — пилы

1. Обоснование и актуальность создания нового лесопильного оборудования...

номинальной цены) строительно-монтажных и сопутствующих работ по возведению основания (фундамента). При этом следует отметить стационарность, 
значительную массу и, кроме того, необходимость получения ТУ на электроэнергию.
Практическое отсутствие контроля усилия натяжения полотен ведет  
к изменению их расчетных характеристик и вследствие этого — к потере их 
устойчивости во время работы (возникают вибрации — поперечные и крутильные колебания), перегреву и удлинению полотен, увеличению разнотолщинности и шероховатости досок и исключительной зависимости от опыта 
оператора (рамщика).
Невысокая производительность для получения качественной поверхности 
(скорость подачи 1,0…1,05 м/мин), характерная для данного вида оборудования, обусловлена тем, что при скорости подачи больше 1 мм/зуб процесс 
резания сопровождается разрывом волокон обрабатываемой поверхности и 
нарушением структуры приповерхностного слоя доски. Данное обстоятельство 
наряду с разнотолщинностью получаемых досок приводит к снижению полезного объема используемой древесины. Рентабельность распиловки маломерного леса невысока. 
Вместе с тем лесопильная рама пока не имеет конкурентов по производительности при низких потребительских характеристиках продукции. 
Круглопильное оборудование (например, двухпильный станок РД-25М) 
применяется при распиловке бревен диаметром до 280 мм (рис. 1.2). Мощность данного оборудования 30 кВт, масса — до 980 кг. 
К достоинствам круглопильного оборудования следует отнести наличие 
динамического баланса режущего инструмента, отсутствие специального 
фундамента, мобильность, возможность использования на лесосеках (Фин
Рис. 1.2. Конструкция круглопильного станка с распиливаемым бревном:
1,1′— нижние и верхние пилы; 2, 3 — передняя и задняя гусеницы; 4 — вертикальные вальцы 
механизма подачи; 5, 6 — передние и задние вальцы механизма подачи; 7 — пневмопривод 
прижимных вальцов; 8 — участок формирования пропила; 9 — механизм настройки направляющих ножей; 10 — когтевая защита с плавающими элементами; u — направление подачи 
бревен

1.1. Анализ существующего лесопильного оборудования

ляндия, Швеция), снижение транспортных расходов и себестоимости продукции. 
Основным недостатком данного оборудования является наличие значительной мощности при распиловке бревен большего диаметра и тем более 
несколькими дисковыми пилами, например, мощность станка Ц8Д-8М 
массой около 5000 кг при толщине распиливаемого бруса всего лишь 180 мм, 
но при высокой скорости подачи, составляет 116 кВт. 
Следует отметить сложность технологии изготовления дисковых пил 
большого диаметра (на уровне искусства), увеличение ширины распила до 
6,0 мм при увеличении диаметра бревна (дисковой пилы), повышенные потери материала, малую рентабельность распиловки маломерного леса. 
Малый срок работы дисковой пилы между двумя перезаточками — сменой 
лезвия (2...4 ч) приводит к дополнительным операциям по перестановке  
с сопутствующей потерей производительности. 
Ленточнопильное оборудование. Общий вид ленточнопильного станка 
представлен на рис. 1.3. 
К широко применяемым относятся станки Wood-Mizer, «Гравитон», ПГ-40, 
ПГУ-500М. Достоинства: мобильность (масса до 1310 кг); достаточно высокое качество обработанной поверхности при малой подаче; малое энергопотребление; возможность обработки бревен диаметром до 1000 мм; повышенный коэффициент использования материала при малой ширине пропила (до 
2,5...3,0 мм).
Недостатки оборудования: относительно низкая производительность — 
3…6 м3 в смену; низкий ресурс работы полотна и малый объем пиловочника, 
обрабатываемого за время между двумя перезаточками (1,0…1,2 м3); малая 
рентабельность распиловки маломерного леса; высокая стоимость снабжения 
полотна твердосплавными режущими элементами или наваренным стеллитом. 
Следует отметить сложность обслуживания и ремонта зарубежных образцов, 
недостаток запчастей. Практическое отсутствие отечественных высококачественных ленточных пил обусловливает зависимость от импорта (США, 
Швеция, Германия). 
С учетом изложенного необходимо признать наличие предела возможностей зна- 
чительного совершенствования основных 
видов распиловочного оборудования. Новые 
уникальные способы обработки древесины, 
использующие струну, лазерный луч или 
струю воды под высоким давлением, в настоящее время не получили промышленного 
освоения. 

Рис. 1.3. Общий вид ленточнопильного станка: 
1 — станина; 2 — верхний неприводной шкив; 3 — пила; 
4 — направляющее устройство; 5 — стол; 6 — направляющая линейка; 7 — приводной шкив; 8 — педаль тормоза; 
9 — электродвигатель; 10 — щетка

1. Обоснование и актуальность создания нового лесопильного оборудования...

Для всех лесопильных станков в комплексном подходе остается ряд нерешенных задач, таких как энергосбережение при распиловке, при изготовлении самого оборудования — надежного и простого в эксплуатации, мобильного и выполняющего одновременно несколько функций на одной 
базовой модели. Одновременно остается нерешенной проблема распиловки 
тонкомерного леса и вершинника.
Таким образом, актуальной задачей является разработка новых технических решений в области создания распиловочных станков, сохраняющих 
преимущества и исключающих недостатки существующего оборудования.

1.2. Схемное решение принципиально нового станка с круговым  
поступательным движением пильных полотен

Из анализа приведенного выше оборудования можно сделать вывод: все 
три типа станков дополняют друг друга, обладая присущими им достоинствами и недостатками, поэтому актуальной является задача создания нового оборудования с преимуществами распиловочных станков и не имеющее присущих 
этим станкам недостатков. 
По мнению авторов, к такому виду оборудования (станка) можно отнес- 
ти «коленчатый» станок с круговым поступательным движением полотен  
(рис. 1.4).

Рис. 1.4. Коленчатый станок (многопильный 
блок) для распиловки бревен и бруса