Mendelova univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav základního zpracování dřeva
Diplomová práce
Vodní pila/mlýn „Dolní mlýn‘‘ - jeho stav, vybavení a výrobní možnosti Příloha - textová část Samostatná příloha - výkresová dokumentace
Brno 2011
Bc. Vlastimil Voda
Prohlášení:
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma: Vodní pila/mlýn „Dolní mlýn‘‘ - jeho stav, vybavení a výrobní možnosti, zpracoval sám a uvedl všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s §47b zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací.
Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.
V Brně dne 19. 4. 2011
....................................................... podpis
Poděkování:
Touto cestou bych chtěl poděkovat svému vedoucímu diplomové práce Ing. Karlu Janákovi, CSc. za cenné rady a připomínky při konzultacích a během zpracování diplomové práce. Velký dík patří také panu Josefu Rymešovi za ochotu při spolupráci a spoustu zajímavých rad a informací.
Abstrakt Vlastimil Voda
Vodní pila/mlýn „Dolní mlýn‘‘ - jeho stav, vybavení a výrobní možnosti
V úvodní části se tato práce zabývá dokumentací a vyhodnocením současného stavu rámové pily na vodní pohon. Tato část práce je doplněna výkresovou dokumentací dochovaného vybavení pily. Podle historických pramenů je také vypracována dokumentace pro součásti objektu, které se nedochovaly. Ze vzniklých plánů je vypracován návrh rekonstrukce a obnovy pily. Hlavním kritériem pro rekonstrukci objektu je zachování jeho historické hodnoty. Takto vypracovaný návrh dále slouží k výpočtu technických parametrů pily, díky kterým lze určit výrobní možnosti pily. Podle těchto možností je stanoven typický výrobní postup podle dobových zvyklostí.
Klíčová slova: návrh, rámová pila, vodní kolo, řezný výkon
Abstract Vlastimil Voda
Water sawmill „Dolní mlýn“ - his status, facilities and production possibilities
In the introductory part of this work deals with the documentation and evaluation of the current state of frame saws to water gearing. This part is accompanied by drawing documentation of preserved equipment sawmill. According to historical sources is also prepared documentation for the components of the building that has not been preserved. From resulting plans is drawn proposal for the reconstruction and rehabilitation saw. The main criterion for reconstruction is to preserve the historical value of the mill. This proposal is also used to calculate the cutting performance, which may be determine production facilities of sawmill. The relevant parameters are also provided a typical manufacturing process, as conducted in the days when the mill was in full operation.
Key words: suggestion, frame saw, water wheel, cutting power
Obsah 1 2 3 4
Úvod Cíl práce Metodika práce Popis objektu Dolní Mlýn 4.1 Popis budov a technického vybavení 4.1.1 Mlýnice 4.1.2 Pilnice 4.2 Současný technický stav pilnice a jejího vybavení 4.2.1 Pilnice 4.2.2 Pohon rámové pily 5 Návrh obnovy rámové pily 5.1 Varianty rekonstrukce rámové pily v Dolním Mlýně 6 Diskuze 7 Postup obnovy rámové pily 7.1 Stavební úpravy pilnice po demontování rámové pily 7.2 Renovace rámové pily a souvisejícího vybavení 7.3 Návrh chybějících součástí 7.3.1 Návrh vodního kola 7.3.2 Návrh převodového soukolí 7.4 Způsob prezentace rámové pily 8 Stanovení výrobních možností rámové pily 8.1 Technické parametry rámové pily 8.2 Stanovení řezné síly a řezného výkonu rámové pily 8.3 Kapacitní výpočty možností rámové pily 8.3.1 Stanovení posuvné rychlosti v závislosti na výkonu pohonné jednotky 8.3.2 Kapacita řezného procesu 9 Závěr 10 Summary 11 Seznam obrázků 12 Seznam použité literatury
8 10 11 13 15 15 15 20 21 24 27 27 30 32 32 33 33 33 36 39 40 40 41 45 45 46 51 53 55 56
1.
Úvod Vzhledem k zeměpisné poloze našeho území se jako nejlépe využitelný zdroj energie
jevilo využití vodních toků. Byl to také jeden z prvních přírodních zdrojů, které člověk dokázal úspěšně přeměnit na mechanickou práci. První zmínky o využití vodní energie pochází už z 6 stol. př. n. l., kdy Egypťané využívali čerpací kola k závlaze. Postupem času se vodní kola rozšiřují i dále do Evropy. První vodní mlýny se objevují v 11. století. V průběhu dalších století se vodní mlýny budují po celém našem území. Rozšíření mlýnů bylo dáno jednak všudypřítomnou zemědělskou výrobou a jednak obtížnou dopravou zrna na větší vzdálenosti. Mlýn tak stál prakticky u každé větší vsi.
Ve středověku na našem území roste potřeba získávání přesných polotovarů ze dřeva pro budované stavby. S tím souvisí rozvoj pilařského řemesla. Aby se ušetřily náklady na výstavbu nových vodních pohonů, stavěly se proto pily ve většině případů jako součást mlýnů na obilí. Za rozmachem výstavby malých pil stojí podobné příčiny jako u mlýnů - na našem území se nacházel dostatek kvalitního surového dřeva a doprava na větší vzdálenosti po souši v té době nepřipadala v úvahu. Mimo pil bývala k mlýnům přistavována i další zařízení. Velice často byly součástí mlýnů hamry, mandly, brusírny skla, nebo dokonce varny na povidla. Vše záleželo na tom, v jaké oblasti zařízení stálo. Mlýn tak míval několikanásobné využití. V případě, že se zrovna nemlelo obilí, bylo vodní kolo využíváno pro jinou činnost.
Vybavení pilnic se postupem času měnilo a vyvíjelo. Nejstarším používaným typem pily je pila rámová. První zmínky o této pile pochází z roku 1230. Nejstarší pilařské provozovny byly vybaveny právě takovým zařízením. Jednalo se o jednolistou pilu s dřevěným rámem. Konstrukce pil se postupem času zdokonalovala. Mezi nejvýznamnější zdokonalení lze zařadit vybavení rámové pily klikovým mechanismem (počátek 16. století) a použití více listů v jednom rámu (konec 18. století). Díky tomu bylo možno pořezat celý kmen během jednoho chodu. Zdokonalovaly se také použité materiály. Dřevěné rámy a konstrukce ve většině případů nahrazují kovové konstrukce. Jak rostla potřeba surového dříví, tak se rozvíjelo i pilařské řemeslo. Svého vrcholu dosáhlo toto řemeslo na konci 19. a na začátku 20. století, kdy byla pila součástí snad každého mlýna. Při sčítání provozoven, které se konalo v roce 1930, se v Československu nacházelo na 17 tisíc vodních motorů. 8
Československo díky tomu patřilo v třicátých letech 20. století mezi přední vývozce dřeva a dřevěných výrobků. Velký rozmach pil byl během druhé světové války, kdy se stavělo množství nových pil. Výsledným efektem bylo, že kapacita pil byla několikanásobně vyšší, než byly možnosti dodávky suroviny. Spousta pil tak po skončení války neměla co řezat. K tomu všemu se přidal nástup komunismu a s ním související znárodňování. Velkou pohromou pro pily bylo také rovnání říčních koryt, při kterém objekty přišly o svůj zdroj energie. Další pily, které nebyly znárodněny, byly zavřeny a zrušeny. V tomto období tak přestává fungovat většina malých pil. Drobné pily tak ztrácejí svůj význam a většina jich je zbourána, nebo v lepším případě slouží k odlišné činnosti. Důsledkem těchto změn je to, že spoustu pilařských provozoven můžeme najít už pouze na historických mapách a dobových dokumentech. Z dalších objektů se dochovaly pouze základy, nebo části budov, které byly přestavěny k jiným hospodářským účelům. Jen nepatrná část z celkového množství se dochovala alespoň v takovém stavu, aby byla možná jejich rekonstrukce, v dnešní době hlavně pro prezentační účely.
Určitý obrat v tomto směru přichází s pádem komunismu po roce 1989. Znárodněné objekty jsou navraceny svým původním majitelům. Vzhledem k situaci na trhu a také z ekonomického hlediska však nepřipadá v úvahu obnovení provozu a výroby tak, jak tomu bylo před druhou světovou válkou. Spousta majitelů se přesto snaží tyto zchátralé objekty rekonstruovat a obnovovat jako kulturní a technické památky. Díky těmto nadšencům tak v poslední době na našem území přibývají obnovené pilnice i se svým vybavením ukazující návštěvníkům technickou zručnost a schopnosti tehdejších řemeslníků. Jako příklad určitě stojí za zmínku skanzeny v Rožnově pod Radhoštěm a Veselý kopec, nebo také vodní pila Penikov. Můžeme si přát, aby takovýchto objektů na našem území přibývalo v nadcházejících letech co nejvíc.
9
2.
Cíl práce Cílem této práce je dokumentace dřevěné rámové pily, návrh její obnovy a stanovení
výrobních možností. Návrh obnovy bude vycházet ze současného stavu objektu. Dochované vybavení bude hodnoceno jak po stránce kompletnosti a provozuschopnosti, tak po stránce historické autentičnosti. Z těchto údajů bude vycházet výkresová dokumentace, ve které bude zdokumentováno současné vybavení, které se na pile nachází a dále vybavení, které bude třeba nově vyrobit. Po uvážení možností obnovy bude stanoven nejvhodnější postup a rozsah rekonstrukčních prací. S těmito pracemi souvisí návrh chybějících součástí pily.
Z tohoto návrhu bude vycházet dále stanovení výrobních možností pily. Podle daných parametrů rámové pily a navržené pohonné jednotky budou vypočteny řezný odpor, řezná síla a řezný výkon. Aby bylo možno stanovit výrobní kapacitu této pily, bude dále třeba sestavit typický výrobní postup z dob, kdy se na pile pravidelně řezalo. Vypočtený výkon a kapacita budou poté srovnány s hodnotami známými u obdobných rámových pil.
10
3.
Metodika práce Prvním krokem je popis historického vývoje a technického vybavení objektu „Dolní
Mlýn“. Popis historie mlýnu bude postaven na základě informací od místních pamětníků a podle archivních materiálů. S tímto krokem souvisí popis budovy a jejich součástí. V dalším průběhu práce bude věnována pozornost hlavně pile a souvisejícímu vybavení.
Následovat bude dokumentace současného stavu pilnice a také jejího dochovaného vybavení. Stav vybavení bude zhodnocen jak po stránce technické, tak po stránce funkčnosti, kompletnosti a autentičnosti. Vyhodnocení technického zařízení doplní výkresová dokumentace budovy pilnice jako celku s veškerým vybavením (rámová pila, vozík, kotoučová pila, pohony).
Výkresová dokumentace bude zároveň sloužit jako podklad pro návrh obnovy zařízení. Rozhodujícím kritériem pro rekonstrukci je snaha o zachování její historické hodnoty. Dalším požadavkem je, aby tato rekonstrukce vycházela z původní podoby vybavení, tak jak fungovalo během provozu pily. Z těchto základních požadavků budou dále sestaveny možné varianty způsobu obnovy rámové pily. Jednotlivé varianty budou posuzovány z hlediska jejich technické proveditelnosti, náročnosti, výše finančních nákladů a také požadavků a záměrů majitele. Po vybrání nejvhodnějšího řešení bude stanoven postup prací vedoucích k celkové obnově objektu. Na základě vypracovaného projektu bude stanoven způsob prezentace rámové pily.
Další součástí práce je vyhodnocení výrobních možností pily. Tyto možnosti se odvíjejí podle způsobu pořezu, rozměru a druhu zpracovaných výřezů a vyráběného řeziva. Pro určení těchto parametrů bude tedy nutné stanovit typický výrobní postup. Stanovení postupu bude vycházet z historických záznamů a z údajů pamětníků. Důležitým podkladem pro výpočet výrobních možností je stanovení technických parametrů pily. Pro jejich stanovení poslouží údaje o pohonné jednotce a rozměry jednotlivých součástí rámové pily (výška rámu, pilový list, ojnice).
11
Ze známých parametrů pily (řezná rychlost, výška řezné spáry, šířka řezné spáry) budou dále vypočítány jednotlivé kinematické a energetické prvky řezného procesu. Z těchto výpočtů a z dalších potřebných informací bude stanoven výrobní postup. Podle tohoto postupu a také podle dobových zvyklostí budou vypočteny výrobní možnosti pily. Výrobní možnosti pily budou následně porovnány s parametry obdobných rámových pil.
12
4.
Popis objektu Dolní Mlýn Dolní Mlýn leží jihovýchodně od Zadního Zhořce asi 500 metrů pod vsí na Křibském
potoku, který napájí soustavu rybníků nad mlýnem. Mlýn patřil mezi nejmladší v okrese, zároveň byl mezi posledními, které byly z úřední moci kolem roku 1954 uzavřeny. Vznikl pravděpodobně ve druhé polovině 19. století. Budova mlýna měla 3 podlaží: suterén, kde se nacházela lednice a strojovna, přízemí (tzv. zanáška) s hlavním mlecím zařízením a podstřeší, kde byla transmise s řemenicemi na pohon strojů, vysévače na mouku a výtahů. Vzhledem k nevyhovujícímu stavu vybavení poslední mlynář Josef Rymeš mlýn po druhé světové válce modernizoval. Na přelomu 19. a 20. století byla k mlýnu přistavěna ještě pilnice se svislou jednolistou rámovou pilou (tzv. jednuška). Vedle pily zde bývala patrně od samého počátku též olejna na lisování oleje z olejnatých plodin, zejména lnu. (Zadní Zhořec - vlastivědná mapa 2004)
Mlýn byl poháněn vodním kolem o průměru 3,84m. Voda byla přiváděna na mlýnské kolo z blízkého rybníka pomocí strouhy 5,5 m dlouhé, dřevěných vantroků, 4,5 m dlouhých a 0,84 m širokých. Soustava čtyř rybníků nad mlýnem mu dávala poměrně stálou vodu, nikoli však celoročně. Pro takové případy tu byl jako náhradní zdroj plynosací motor o výkonu 7,4 KW. S nástupem elektrifikace nahradil tyto pohonné jednotky elektromotor. Pila byla využívána až do padesátých let, kdy byl její provoz zastaven a pila byla zapečetěna. Její majitel však přesto občas na pile tajně řezal. Později však provoz na pile definitivně skončil.
Řezivo zde bylo zpracováváno na jednolisté rámové pile. Díky své konstrukci bylo možné na pile řezat i kulatinu do průměru kolem 90 cm. Vzhledem k tomu, že pila měla pouze jeden list, řezání jednoho kmene mohlo zabrat celý den. Dovezené výřezy se na pilu navalovaly ze spodní strany pilnice, kde je tomu uzpůsobený otvor, a pomocí návalků byly dopraveno přímo na vozík. Nejprve se výřez rozřízl na poloviny. Ty byly poté řezány na požadovanou tloušťku. Z používaných sortimentů řeziva se zde nejčastěji řezaly fošny a trámy. Pro řezání prken a podobného sortimentu se pila příliš nevyužívala, protože při řezání slabšího řeziva docházelo k nepřesnostem. Pila se přesto ukázala jako velice univerzální pomocník, protože se na ní řezaly veškeré sortimenty u nás se běžně vyskytujících druhů
13
dřevin. Součástí vybavení pilnice je ještě omítací kotoučová pila. V případě potřeby tak mohlo být řezivo ihned čtyřstranně opracováno.
Obr. 1 Náčrtek mlýna ke stavbě pily u Dolního Mlýna (Zadní Zhořec - vlastivědná mapa)
14
4.1
Popis budov a technického vybavení Objekt lze z technického a funkčního hlediska rozdělit na mlýnici a pilnici. Tato práce
je zaměřena na pilařskou část mlýna. Mlýnice je popisována pouze z hlediska vzájemných návazností objektů, hlavně pohonu. Součástí pilnice je také její vnitřní vybavení, které bude v této kapitole popsáno z hlediska jeho konstrukce. Výkresová dokumentace je zaměřena na pilnici i s jejím vybavením. Pro lepší orientaci jsou v závorkách uvedena čísla označující pozice na jednotlivých výkresech.
4.1.1 Mlýnice Budova mlýnice byla po ukončení provozu přestavěna. Prostory sloužily jako obytné místnosti a z jejího vybavení se dochovalo pouze šrotovací zařízení na hrubé mletí zrna, násypné koše s pytlovacím zařízením a v podstřeší ještě horní transmise. Výrazné stavební úpravy si vyžádala lednice, ve kterých se původně nacházelo vodní kolo. Tento prostor leží přímo pod hrází, kde je značně podmáčen. Bylo proto nutné zde vybudovat podsklepení, na kterém se nacházejí obytné místnosti. Přesto je stále možné zde spatřit výklenky ve zdi, ve kterých byla uložena hřídel vodního kola. Z mlýnice také vedou schody, po kterých je možno se dostat do podpílí a k transmisím.
4.1.2 Pilnice Budova pilnice po definitivním zastavení činnosti sloužila a dodnes slouží jako skladiště. Díky tomu se pile vyhnuly jakékoliv stavební úpravy. Pilnice je podezděna kamenným zdivem, nosnou konstrukci nadzemní části tvoří čtyři kamenné pilíře. Ostatní konstrukce je dřevěná. Uvnitř se nachází svislá rámová pila (18) a také kotoučová omítací pila (21). Podlaha je trámová, jsou na ní kolejnice (29), po kterých se pohybuje vozík s výřezy.
Pod podlahou se nachází podpílí. Zde se nachází základní betonové kvádry (4), na kterých je připevněna kliková hřídel rámové pily. (obr. 3) Dále je zde transmise pohánějící
15
rámovou pilu, posun vozíku a také kotoučovou pilu. Tato centrální transmise sloužila původně i pro pohon vnitřního zařízení mlýnice, po její následné přestavbě byl však tento úsek transmise uříznut. Podpílí bylo využíváno také jako skladiště pilin vzniklých při řezání. Takto vzniklý odpad byl následně využíván jako palivo. V tomto prostoru se ještě nachází místo pro skladování koksu, který byl spalován při použití plynosacího motoru. Přes podpílí vedl původně kanál odvádějící vodu z mlýnského kola. Prostory pod střechou pilnice bylo možné využívat jako skladiště pořezaného řeziva. V případě potřeby bylo také možno zde materiál dosoušet.
Obr. 2 Pohled na budovu pilnice z jihovýchodní strany (V. Voda)
16
Obr. 3 Kliková hřídel pohánějící rámovou pilu (V. Voda)
Rámová pila:
Stojatá rámová pila (obr. 4) je dřevěné konstrukce. Základ pily tvoří betonový kvádr v podpílí, na kterém je uložena kliková hřídel (13). Na této hřídeli jsou na obou koncích kliky s ojnicemi (19) zajišťující pohyb rámu nahoru a dolů. Uprostřed jsou dvě řemenice - jedna pevná pohání pilu při řezání, druhá je volná - využívaná na volnoběh. Posun řemenu mezi těmito řemenicemi je zajištěn pomocí táhla, které se přes čelní hřebenové ozubení posouvá ovládacím kolem (26) přímo od pily. Na hřídeli je ještě setrvačník (16), který vyrovnává rázy vznikající při chodu rámu. Nosnou konstrukci rámu tvoří dva svislé sloupky (20) mezi podlahou a stropem. Na sloupcích jsou umístěny vodící tyče (19), po kterých se rám smýká. Podle průměru kol, na kterých jsou připevněny ojnice lze určit zdvih rámu - 40 cm. Vodící objímky rámu, jež se smýkají po vodících tyčích, jsou vyrobeny z ebenového dřeva. Součástí rámové pily je mechanismus pro pohyb vozíku (25).
17
Obr. 4 Svislá rámová pila - současný stav (V. Voda)
Posun vozíku zajišťuje převodové ústrojí (obr. 5), které je poháněno stejnou transmisí jako rámová pila. Pila řeže pouze při pohybu rámu dolů, při pohybu rámu nahoru naopak dochází k posunutí vozíku s výřezem. Tento pohyb umožňuje táhlo (25) spojené s rámem pily. Po dokončení řezu lze napnutím řemenu mezi soukolím vozík uvést do pohybu nezávisle na pohybu rámu a vrátit ho do polohy pro další řez. Výřez se posune o požadovanou šířku řeziva na vozíku a řezný proces tak může pokračovat. Posouvat vozík lze také ručně pomocí kliky.
18
Obr. 5 Převodové soukolí zajišťující pohyb vozíku (V. Voda)
Vozík:
Vozík slouží k upevnění a také vycentrování výřezů. Celková délka vozíku je 6 metrů. Šířka je 111 cm. Nosnou konstrukci tvoří dva trámy, v nichž jsou zadlabána kolečka umožňující posun vozíku po kolejnicích. Na jednom konci je pevně přichycen trám. Do tohoto trámu se pomocí kleštin kmen upínal. Stejný trám je i na druhém konci vozíku. Ten je však pohyblivý, aby se mohl přizpůsobovat délce řeziva. Je na něm upevněn napínací mechanismus (28), pomocí kterého se kláda po upevnění na vozík ještě dodatečně napnula, aby se při řezu co nejméně kroutila. Maximální délka výřezu, který bylo možno pořezat, se pohybovala kolem pěti a půl metru. Vzhledem k tomu, že kulatina byla upevněna pouze na obou koncích a vozík byl dřevěný, docházelo při těchto délkách k nepřesnostem při řezání. Z tohoto důvodu se na pile řezaly spíše kratší kusy. Pohyb vozíku zajišťuje střední trám, který má zespodu zadlabané kolíky, které zapadají do pastorku dřevěné hřídele.
19
Obr. 6 Pohled na vozík s upínacím zařízením (V. Voda)
Kotoučová omítací pila:
Pro omítání vzniklého řeziva je v pilnici kotoučová pila (21). Pila je velmi jednoduché konstrukce. Na dřevěném stole je uchycena hřídel, na které je připevněn pilový kotouč. Pohon pily je zajištěn přes řemenový převod stejnou transmisí, která pohání rámovou pilu.
4.2
Současný technický stav pilnice a jejího vybavení V předchozí kapitole byla pilnice a její vybavení popisováno tak, jak původně
fungovalo během provozu na pile. V této kapitole bude sledován současný stav celého objektu a vnitřního vybavení. Budova pilnice a její vybavení je detailně zdokumentováno ve výkresové dokumentaci. Čísla v závorkách za nejdůležitějšími součástmi pily znamenají jejich označení na jednotlivých výkresech.
20
4.2.1 Pilnice Podpílí (výkres č. 1) tvoří kamenné zdivo. Ve východní části byla zevnitř nutná cihlová dozdívka, protože hrozilo zhroucení. Stavební úpravy si vyžádal odvodní kanál odvádějící vodu od mlýnského kola. V současné době je zde možno vidět jeho obezděnou část, která vede dále do drenáží. Ty vedou až zpět do potoka, může jimi tedy odtékat přebytečná voda. Transmise (10) i se všemi řemenicemi, které se starají o chod pily, jsou na svém místě.
Nadzemní část pilnice tvoří kamenné pilíře s vnitřní trámovou konstrukcí. Nosné trámy jsou v poměrně dobrém stavu. Akutní nebezpečí hrozí u podlahových trámů (2), které jsou silně poničeny hnilobou. Jejich konce, které přesahují až ven, jsou značně poničeny atmosférickou korozí. Jeden z těchto trámů v zadní části je třeba neprodleně vyměnit, v současné době je toto místo improvizovaně podepřeno dvěma kůly (obr. 7).
Obr. 7 Improvizovaně podepřený trám pracovního podlaží pily (V. Voda)
21
Rámová pila:
Rámová pila (18) je v relativně velmi zachovalém stavu. Výrazný vliv na to měl fakt, že objekt po skončení svého provozu převzal funkci skladiště. Díky tomu zůstala pila až do dnešní doby prakticky kompletní. Dřevěné prvky jsou sice v některých místech lehce napadeny hnilobou, nejedná se ovšem o nijak zásadní narušení. Po patřičném ošetření a konzervaci by tak mohly bez problémů plnit svou funkci. Kovové prvky pily (především spojovací materiál, čepy a další pohyblivé díly) jsou poměrně silně zkorodované, po důkladném ošetření budou opět provozuschopné. Na rámu je i původní pilový list, se kterým se běžně řezalo. Z hlediska kompletnosti tak pile chybí pouze některé ploché řemeny, které bude v případě rekonstrukce nutné nahradit novými.
Obr. 8 Pohled na rámovou pilu společně s posuvným vozíkem (V. Voda)
22
Hlavní části posuvného mechanismu (25) jsou dřevěné. Stav těchto dílů je poměrně dobrý, pro další využití je však nutné tyto díly ošetřit. Z konstrukčního hlediska je na tomto mechanismu určitě nejzajímavější dřevěná hřídel s dřevěným palečním kolem (22). Na jejím pastorku je patrné značné opotřebení. Při obnově tak bude nutno věnovat zvýšenou pozornost jeho opravě. Dřevěné palce u kola jsou naopak ve velmi dobrém stavu a posuv je tak i v dnešní době poměrně dobře pohyblivý a funkční. Přesto bude při rekonstrukci třeba celý mechanismus rozebrat a jeho jednotlivé díly ošetřit. Zařízení je kompletní, chybí pouze kožené řemeny sloužící k pohonu od transmise.
Vozík:
Hlavní nosné trámy vozíku (27) jsou značně opotřebené (obr. 9), jejich výměna však není nutná. Nejvíce poničen je upínací trám na konci vozíku, na kterém je možno si všimnout stop po řezání. Ty zde vznikaly vždy po dořezávání kmene až do konce, protože ten ležel částečně v tomto upínacím trámu.
Obr. 9 Značné opotřebení trámů nosné konstrukce vozíku (V. Voda)
23
Kotoučová omítací pila:
Tato pila (21) je taktéž po částečných úpravách provozuschopná. Chybí zde však pohyblivý stůl, na kterém byla omítaná prkna připevněna. Při rekonstrukci tak bude nutné sestavit stůl nový. Při jeho konstrukci lze vycházet z drážek na stole pily, po kterých se pravděpodobně pohyboval.
4.2.2 Pohon rámové pily Původně sloužilo k pohonu zařízení vodní kolo. Jako náhradní zdroj pro případ nedostatku vody byl využíván plynosací motor. Později s elektrifikací byla tato zařízení nahrazena elektromotorem. Ten je možné v prostorách strojovny vidět dodnes. Po původním vodním kole se dochovaly pouze prostory, ve kterých se kolo nacházelo a také výklenky ve zdi, kde byla uložena hřídel kola.
Jako alternativa a později také náhrada vodního kola sloužil plynosací motor, který spaloval koks. Z informací víme, že jeho výkon byl 7,4 kW. Motor se v současné době v objektu nenachází a tak nám poslouží alespoň údaj o jeho výkonu při porovnání s výkonem vodního kola. Dnes se nachází ve sklepení třífázový elektromotor (obr. 10), který sloužil k pohonu pily až do konce jejího provozu. Při rekonstrukci rámové pily by se tento motor dal využít k pohonu místo vodního kola. Při obnově objektu jsou možné obě tyto varianty.
Plynosací motor i elektromotor byly schopné vyvinout mnohem vyšší otáčky na hřídeli. Zpřevodování bylo tedy odlišné a oproti vodnímu kolu mnohem jednodušší. Vzhledem k nízkému počtu otáček vodního kola (7 - 10 ot/min) bylo proto nutné vyřešit převodové soukolí tak, aby otáčky byly dostatečné pro chod rámové pily. Z toho je tedy patrný rozdíl v uspořádání. Jejich hnací síla byla přes řemenici přenášena přímo na hlavní transmisi, která poháněla rámovou pilu, posun vozíku a kotoučovou pilu. Převodové ústrojí vodního kola bylo rozebráno a zničeno. Jediné co je dnes k dispozici, jsou výklenky, ve kterých byla uložena hřídel vodního kola.
24
Obr. 10 Původní elektromotor - současný stav (V. Voda)
Podle dobových nákresů a také podle vzpomínek současného majitele pana Rymeše je možné sestavit přibližnou podobu převodového soukolí (viz. výkresy). Na hřídeli vodního kola bylo na vnitřní straně zdi pod mlýnem upevněno lícní paleční kolo, které pohánělo hřídel, pomocí které byla hnána hlavní transmise.
Tato transmise byla po přechodu na pohon elektromotorem uříznuta v místech, kde se nacházela řemenice přenášející sílu od vodního kola (obr. 11). Odříznutý kus skončil pravděpodobně ve šrotu. Ostatní řemenice sloužící k pohonu pily a souvisejících součástí jsou kompletní. Podle průměru těchto řemenic lze určit převodový poměr mezi jednotlivými převody a dále určit vlastní otáčky klikového mechanismu rámové pily.
25
Obr. 11 Místo, ve kterém byla hlavní transmise po rekonstrukci uříznuta (V. Voda)
Obr. 12 Pastorek dřevěné hřídele sloužící k posuvu vozíku (V. Voda)
26
5
Návrh obnovy rámové pily Po průzkumu a vyhodnocením současného stavu rámové pily je možno sestavit plán
pro obnovu objektu pro prezentační účely. Existuje více variant, podle kterých by bylo možné tuto obnovu realizovat.
Nejjednodušší variantou je rekonstrukce rámové pily na jejím současném místě. Pila by mohla být poháněna buď elektromotorem, který se v objektu stále nachází, nebo pomocí vodního kola. V tomto případě by bylo nutné provést velké množství stavebních úprav souvisejících s tímto řešením.
Podle slov současného majitele je nasnadě varianta přesunutí současné rámové pily na jiné místo, kde by mohla pila být dále rekonstruována. Zde existují taktéž dvě varianty odvislé od způsobu pohonu. V počáteční fázi je možné prezentovat pilu ve statické podobě.
V dalších krocích rekonstrukce bude pila zprovozněna a pohon bude zajištěn pomocí elektromotoru. Toto řešení lze brát jako přechodné do doby, než bude sestaveno vodní kolo. Varianta s rekonstrukcí rámové pily a využitím pohonu pomocí vodního kola v určené lokalitě je brána jako konečná podoba.
5.1
Varianty rekonstrukce rámové pily v Dolním Mlýně
a)
Obnova pily na původním místě, využití pohonu elektromotorem
Výhody: - zachování původního zařízení a možnost jeho prezentace - výrazně jednodušší proveditelnost - nižší finanční náročnost
27
Nevýhody: - možnost ukázky pouze vlastního procesu řezání výřezů - narušení autentičnosti původního zařízení - využití pohonu, který nespadá do doby výstavby rámové pily
b)
Obnova pily na původním místě, využití pohonu vodním kolem
Výhody: - zachování původního zařízení s replikou původního pohonu - možnost vycházet ze známých souvislostí a parametrů
Nevýhody: - technická náročnost, zejména u konstrukce vodního kola - nutnost výrazných stavebních úprav - finanční náročnost
c)
Přesun pily na jiné místo, její prezentace ve statické podobě
Výhody: - možnost prezentace pily v mnohem výhodnější lokalitě - zachování autenticity původního zařízení - odpadá nutnost rekonstrukce pily do provozuschopného stavu - výrazně nižší finanční náročnost
Nevýhody: - pila poslouží pouze jako statická ukázka dobové technologie - nemožnost ukázky pořezu kulatiny
28
d)
Přesun pily na jiné místo, obnova provozuschopnosti pro prezentační účely
Výhody: - možnost prezentace pily v mnohem výhodnější lokalitě - zachování autenticity původního zařízení
Nevýhody: - nutnost přizpůsobit současné plány a výkresy pohonu pro dané podmínky - narušení původního charakteru pily na svém původním místě - finanční náročnost
29
6
Diskuze Jednotlivé
varianty
je
třeba
posoudit
z hlediska
technické
proveditelnosti,
vynaložených nákladů a také účelnosti takové rekonstrukce. V neposlední řadě je důležité zohlednit názory a záměry majitele pana Rymeše.
První řešení počítá s obnovou pily a využitím pohonu elektromotorem. Pila a její zařízení bude uvedeno do provozuschopného stavu. Původní elektromotor se ve mlýně stále nachází a po opravě bude opět použitelný. Stavební úpravy si v tomto případě vyžaduje pouze vlastní budova pilnice, kde je třeba vyměnit poničené prvky (trámy podlahy). Výsledná rekonstrukce v porovnání s dalšími variantami bude výrazně levnější. Přes všechny tyto výhody bude ovšem značně narušena autenticita pily. Využít elektromotor je možné jako přechodné řešení v období, kdy bude zprovozněna pila a bude se pracovat na obnově vodního kola.
Obnova pily na původním místě a využití pohonu vodním kolem je po stránce náročnosti a vynaložených nákladů nejnáročnější. V první řádě se musí zbourat část přístavby v mlýnici, která se nachází v prostorách, kde bývalo uloženo vodní kolo. Dále je nutné vyrobit repliku původního vodního kola, obnovit náhon z rybníka a vybudovat nové vantroky. Výhodou tohoto řešení je, že při návrhu a konstrukci chybějících součástí lze vycházet z archivních záznamů a ze známých skutečností. Výsledkem této varianty bude fungující původní rámová pila s replikou vodního pohonu. Zachována tak bude autenticita celého zařízení. Vzhledem ke své náročnosti však toto řešení příliš nekoresponduje se záměry majitele.
Z hlediska prezentace rámové pily jako ukázky lidové řemeslnosti se nabízí možnost přesunutí současného vybavení pily do vhodnější lokality. Za tímto účelem je u nás několik skanzenů lidové architektury a řemeslnosti, kde se podobná zařízení (vodní mlýny, pily, hamry, atd.) nacházejí. Jako počáteční fázi takového řešení je brána prezentace pily ve statické podobě. Dalším krokem je zprovoznění rámové pily a pohon elektromotorem. Takto může pila fungovat do doby, než bude vybudována replika původního vodního kola, která bude muset být přizpůsobena dané lokalitě a podmínkám. 30
Všechna řešení mají jeden společný cíl, a tím je opětovné zprovoznění pily. Vzhledem k dalšímu využití pily pro prezentační účely je důležitým kriteriem zachování autenticity pily. Toho lze efektivně dosáhnout pouze při celkové rekonstrukci i s využitím vodního pohonu. Při návrhu obnovy je navíc třeba zohlednit záměry majitel. Ten za nejpřijatelnější řešení považuje přesunutí současného zařízení do vhodnější lokality. Při zohlednění tohoto názoru a také při porovnání finanční náročnosti a technické proveditelnosti se tak jeví jako nejvhodnější varianta přesun současného zařízení do vhodnější lokality.
31
7
Postup obnovy rámové pily Návrh chybějících součástí vychází hlavně z archivních záznamů. Doplněn je
přibližnými výpočty. Při rekonstrukci budou tyto navržené součásti využity se zohledněním daných podmínek (poloha pilnice, její poloha vůči vodnímu toku), které nelze v současné době stanovit. Obnova pokračuje renovací rámové pily a dalšího dochovaného vybavení, na závěr bude celé zařízení zprovozněno.
Kroky vedoucí k obnově rámové pily:
1. Stavební úpravy současné pilnice po demontování rámové pily 2. Renovace rámové pily a souvisejícího vybavení 3. Návrh chybějících součástí 4. Způsob prezentace rámové pily
7.1
Stavební úpravy současné pilnice po demontování rámové pily Budova pilnice bude vyžadovat po demontáži rámové pily drobné stavební úpravy.
Kamenná podezdívka musí být opravena, aby v budoucnu nedošlo k jejímu probourání působením okolního terénu. V podpílí vznikne po demontáží transmisí a klikové hřídele prostor využitelný jako sklep. Veškeré nosné trámy, které jsou zároveň součástí pily, bude nutno nahradit. Vyměnit se musí poničené nosné trámy pracovního podlaží. Zde se musí vybudovat nová podlaha, která nahradí původní i s kolejnicemi pro vedení vozíku. Budovu pilnice bude poté možno využít jako skladovací prostory například pro palivové dříví.
32
7.2
Renovace rámové pily a souvisejícího vybavení Hlavní konstrukční prvky rámové pily jsou dřevěné, přesto ve slušném technickém
stavu. Dá se říci, že rámová pila je kompletní a pro její opětovné zprovoznění jsou nutné pouze běžné údržbářské práce. Mezi ty patří hlavně rozhýbání a důkladné promazání pohyblivých částí - vodící tyče rámu, čepy ojnice, původní bronzová ložiska klikové hřídele. Renovaci vyžaduje posouvací mechanismus pro vozík, jehož pohyblivé části je taktéž nutno vyčistit, rozhýbat a promazat. Opravu vyžaduje dřevěná hřídel posuvu vozíku, jejíž dřevěné ozubení bude nutné repasovat. Další rekonstrukční práce se týkají posuvného vozíku. Opravu vyžaduje jeho kolejová dráha. Ošetření vyžadují dřevěné prvky vozíku. Po důkladném prozkoumání se nedá vyloučit jejich částečná výměna. Vyčistit a promazat se musí mechanismus na upínání výřezů k vozíku. Stejné práce je nutné vykonat také u hlavní transmise.
7.3
Návrh chybějících součástí Tyto součásti budou navrhovány podle své známé podoby, jak se nacházely v Dolním
Mlýnu. Je třeba vycházet z dobových zvyklostí a také archivních záznamů týkajících se stavby podobného zařízení. Tímto postupem se bude řídit návrh vodního kola a převodového soukolí. Navržené vybavení bude poté přizpůsobeno dané lokalitě.
7.3.1 Návrh vodního kola
Původně byl v Dolním Mlýně korečník na horní vodu. Toto kolo dokáže i přes výrazně snížené množství vody fungovat, byť při snížených otáčkách. Kola tohoto typu jsou proto vhodná na potocích s nestálým průtokem, popřípadě pod hrází rybníka. Toto byl i případ Dolního Mlýna, kde se vodní kolo nacházelo hned pod hrází (jeho poloha je patrná z výkresů).
33
Nejdůležitější parametry vodního kola (viz. obr. 13): •
H...................jmenovitý spád v metrech
•
D...................vnější průměr kola v metrech
•
d....................vnitřní průměr kola v metrech
•
n....................otáčky kola za minutu
•
s.....................jmenovité zdvižení stavidla v metrech
•
lop. ...............minim. počet lopatek v kusech
•
h1...................vrchol kola pod hladinou v metrech
Obr. 13 Korečník na horní vodu s popisem hlavních součástí a nejdůležitějších rozměrů (http://mve.energetika.cz/vodnikolaHD/korecnikHD.htm)
34
Tab. č. 1 Parametry vodního kola podle jmenovitého spádu (http://mve.energetika.cz/vodnikolaHD/korecnikHD.htm) H [m]
D [m]
d [m]
h1 [m]
s [m]
lop. [ks]
n [ot/min]
Q1 [l/sec]
P1 [W]
2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5 5,2 5,4 5,6
1,71 1,91 2 2,14 2,34 2,54 2,74 2,94 3,08 3,21 3,41 3,61 3,81 4,01 4,21 4,53 4,61 4,81 5,01
1,27 1,47 1,56 1,62 1,82 2,02 2,22 2,42 2,48 2,61 2,81 3,01 3,21 3,41 3,61 3,81 3,83 3,91 4,11
0,24 0,24 0,35 0,41 0,41 0,41 0,41 0,41 0,47 0,54 0,54 0,54 0,54 0,54 0,54 0,54 0,62 0,74 0,74
0,04 0,04 0,04 0,048 0,048 0,048 0,048 0,048 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,064 0,064 0,064
28 28 28 30 32 32 36 36 36 38 40 42 44 46 48 48 46 46 48
11,2 10 11,4 11,6 10,6 9,8 9,1 8,4 8,7 8,9 8,4 7,9 7,5 7,2 6,8 6,5 6,7 7,3 6,9
66 66 79 101 101 101 101 101 126 135 135 135 135 135 135 135 168 184 184
950 1 045 1 369 1 898 2 044 2 190 2 336 2 482 3 266 3 694 3 888 4 082 4 277 4 471 4 666 4 860 6 290 7 144 7 409
Q1....................jmenovitý průtok přes kolo široké jeden metr P1.....................jmenovitý výkon kola širokého jeden metr (na hřídeli)
35
Tabulka č. 1 ukazuje, jakým způsobem se odvíjejí nejdůležitější parametry vodního kola podle výšky spádu respektive průměru vodního kola. Pro určení těchto parametrů poslouží jako výchozí údaj průměr kola, který činí 3,84 metru. Korečník na horní vodu: vnější průměr kola (D)
3,84 m
jmenovitý spád (H)
4,45 m
vnitřní průměr kola (d)
3,24 m
šířka vodního kola
0,9 m
rozdíl mezi vodní hladinou a vodním kolem (h1)
0,54 m
jmenovité zdvižení stavidla (s)
0,055 m
počet lopatek
48 ks
počet otáček
7,5 ot. /min
jmenovitý průtok (Q1)
122 l/sec
jmenovitý výkon (P1)
3 861 W
průměr hřídele vodního kola
0,4 m
7.3.2 Návrh převodového soukolí
Po navržení rozměrů vodního kola je třeba stanovit rozměry převodového soukolí, které pokračuje od kola směrem k hlavní transmisi. Nejdůležitější bude stanovení převodových poměrů mezi jednotlivými hřídelemi. Otáčky vodního kola byly uvedeny výše 7,5 ot/min. Obvykle se otáčky na klikové hřídeli rámové pily pohybovaly mezi 80 - 120 ot/min. Protože skutečné otáčky dané pily nejsou známy, jako výchozí hodnota je zvoleno 100ot/min. 36
Celkový převodový poměr:
icelk. =
nvk n rp
kde
nvk - otáčky vodního kola (7,5 ot/min.) nrp - otáčky u klikové hřídele rámové pily (100 ot/min.)
icelk. =
100 = 13,33 7,5 Celkový převodový poměr je 13,33. Z výkresů je patrné, že mezi vodním kolem a
rámovou pilou jsou celkem tři převody. Z dochovaných částí jsou navíc známé průměry řemenic u klikové hřídele a hlavní transmise. Zbylé dva převody je třeba navrhnout tak, aby součin těchto převodových poměrů odpovídal celkovému převodovému poměru. Známý je tak třetí převodový poměr (průměr řemenic 58 a 90 cm). Převodový poměr mezi hlavní transmisí a klikovou hřídelí
i3 =
kde
D5 D6 D6 - průměr řemenice na klikové hřídeli (58 cm) D5 - průměr řemenice na hlavní transmisi (90 cm)
i3 =
90 = 1,55 58 První převodový poměr je mezi lícním palečním kolem, které je připevněno na hřídeli
vodního kola. Jeho průměr byl zvolen 1,5 metru. Palce kola zapadají do pastorku, jehož průměr je 0,25 metru.
37
Převodový poměr mezi palečním kolem a pastorkem
i1 =
kde
D1 D2 D1 - průměr lícního palečního kola (150 cm) D2 - průměr pastorku zapadajícího do palečního kola (25 cm)
i1 =
150 =6 25
Dopočet třetího převodového poměru icelk. = i1 * i2 * i3
i2 =
i2 =
icelk i1 * i3 13,33 = 1,43 6 * 1,55 Pro navržení rozměrů zbývajících řemenic lze tedy vycházet z převodového poměru i2.
Průměr řemenice na hlavní transmisi je zvolen 65 cm.
D3 = i2 * D4 kde
i2 - převodový poměr mezi hlavní transmisí a pomocnou hřídelí (1,43) D4 - průměr řemenice na hlavní hřídeli (60 cm)
D3 = 1,43 * 65 = 93 cm
38
7.4
Způsob prezentace rámové pily Rámovou pilu je nutné přizpůsobit dispozicím pilnice, ve které se bude nacházet.
Stejným způsobem se musí přizpůsobit pohonná jednotka. V počáteční fázi rekonstrukce poslouží k pohonu pily elektromotor. Následně bude k pile dostavěno i vodní kolo vycházející z původního zařízení nacházejícího se v Dolním Mlýnu. Důležité je zachování převodového poměru a také rozměry vodního kola. Ostatní parametry se přizpůsobí podmínkám daným umístěním pily. Prezentován tak bude pořez na původní rámové pile a pohon bude zajištěn vodním kolem podobným tomu, které se původně nacházelo ve mlýně.
39
8
Stanovení výrobních možností rámové pily Pro stanovení výrobních možností pily potřebujeme několik důležitých údajů.
Základním údajem je výkon pohonné jednotky. Dalšími údaji jsou parametry rámové pily zdvih rámu, počet zdvihů za minutu, řezná rychlost. Z těchto parametrů lze stanovit řezný odpor, řeznou sílu a poté také řezný výkon. Jako celkový výstup těchto výpočtů lze označit stanovení celkových výrobních možností pily.
8.1
Technické parametry rámové pily Nejdůležitější technické parametry pro rámovou pilu jsou světlost rámu, zdvih rámu,
počet jeho zdvihů za minutu a řezná rychlost. Světlost rámu a jeho zdvih lze jednoduše stanovit z daných rozměrů pilového rámu a také z průměru poloměru klik, na kterých jsou upevněny ojnice. Počet jeho zdvihů se stanovuje z otáček pohonné jednotky a převodových poměrů. V tomto konkrétním případě je známy počet otáček vodního kola - 7,5 ot/min. Vzhledem k tomu, že v objektu chybí převodové soukolí vedoucí od vodního kola, byl počet zdvihů rámu stanoven podle rozmezí, ve kterém se obvykle pohyboval (80 - 120 zd/min.) a byl zvolen jako střední hodnota tohoto rozmezí - 100 zd/min. Tato hodnota navíc slouží pro přesnější stanovení převodových poměrů u soukolí. Poslední údaj, kterým je řezná rychlost, je nutné vypočítat podle následujícího vzorce:
vstř =
kde
2H * n 60 *1000
H = 2r - je zdvih rámové pily (mm) n - počet otáček klikové hřídele za jednu minutu
vstř =
2 * 400 * 100 = 1,33 m / s 60 *1000
40
Technické parametry pily:
světlost rámu
167 cm
zdvih rámu
40 cm
počet zdvihů rámu
~ 100 zd/min. (při 7,5 ot/min. vodního kola)
řezná rychlost
1,33 m/s
délka řeziva
max. 5,2 metru
8.2
Stanovení řezné síly a řezného výkonu rámové pily Pro výpočet řezné síly je nutné nejdříve znát řezný odpor. Je to odpor, který klade
materiál vůči nástroji. Pro stanovení řezného odporu bude použita analytická metoda. Touto metodou lze poté spočítat i řeznou sílu. Pro stanovení měrného řezného odporu se vychází z empirických vztahu stanovených prof. Beršadským. (Holopírek, 2001)
Měrný řezný odpor pro rozváděné zuby [MPa]:
K m = km +
kde
(a p − 0.8) * p k t * e + b b hstr * s1
km - základní měrný řezný odpor ap - koeficient otupení p - parametr řezání hstř - střední tloušťka třísky b- šířka řezné spáry (5 mm) s1 - tloušťka pilového nástroje (3 mm) kt - koeficient tření ve spáře e - výška řezné spáry (300 mm)
41
Základní měrný řezný odpor [MPa]:
km = (A * δ + B * v + Vm) * 10 kde
A,B,Vm - hodnoty určené z nomogramů 2.2-1 - 2.2-3 δ - úhel řezu (~60°) v - řezná rychlost (u řezné rychlosti menší než 40m/s se do vztahů dosazuje 90 - v) φ - úhel přeřezávání dřevních vláken (~ 5 - 10°)
Obr. 14 Nomogram pro zjištění hodnot A, B (Obrábění dřeva a nových hmot ze dřeva)
Obr. 15 Nomogram pro zjištění hodnoty Vm (Obrábění dřeva a nových hmot ze dřeva)
42
Jelikož se na pile řezala kulatina všech u nás běžné rostoucích dřevin, pro výpočet bude brána vždy střední hodnota z těchto nomogramů mezi borovicí a dubem.
km = (0,027 * 60 + 0,092 * 1,33 + 2,88) * 10 = 46,22 MPa
Koeficient otupení
ap = 1+
kde
0,2 * ∆ρ
ρ0
∆ρ - zvětšení zaoblení ostří ∆ρ = ε * L
ε - opotřebení břitu na 1 m délky (0,0023)
L - celková délka řezu
ρ0 - počáteční zaoblení ostří (6-10 µm)
ap = 1+
0,2 * 2,3 = 1,058 8
Parametr otupení p [N.mm-2]
Obr. 16 Nomogram pro zjištění hodnoty p (Obrábění dřeva a nových hmot ze dřeva)
p = 0,478 N.mm-2 43
Koeficient otupení kt [MPa] kt = 0,25 MPa
Měrný řezný odpor K
K m = 46,22 +
(1,058 − 0.8) * 0,478 0,25 * 300 + = 61,31 MPa 5 5 0,8 * 3
Řezný výkon P [W]
Vztah pro výpočet řezného výkonu u rámové pily
P = K * b * estř * i * u kde
K - měrný řezný odpor (56,31 MPa) b - šířka řezné spáry (5 mm) estř - výška řezné spáry (300 mm) i - počet řezných nástrojů (1) u - posuvná rychlost (~ 0,015 m/s)
P = 61.31 * 5 * 300 * 1 * 0,015 = 1 379 W
Řezná síla Fř [N]
Fř =
kde
Př v
Př - řezný výkon (1 379 W) v - řezná rychlost (1,33 m/s)
44
Fř =
8.3
1379 = 1 038 N 1,33
Kapacitní výpočty možností rámové pily Základním parametrem veškerých kapacitních výpočtů je rychlost posuvu do řezu u,
která může být udávána buď v [m/s] nebo používanější [m/min]. Kritérií, jak zvolit rychlost posuvu je několik:
•
požadovaný stav povrchové přesnosti obrobku a jeho drsnost
•
objem zubové mezery pilových nástrojů
•
výkon pohonné jednotky
•
typ a technické provedení podávacího zařízení
•
stav otupení nástroje
•
tuhost nástroje
Pro výpočet posuvné rychlosti u rámové pily je z těchto kritérií zvolen výpočet podle výkonu pohonné jednotky. Jako pohonná jednotka je uvažováno vodní kolo, které bylo navrženo v kapitole 5.2.1. Výkon vodního kola je 3 861 W.
8.3.1 Stanovení posuvné rychlosti v závislosti na výkonu pohonné jednotky
Efektivní výkon Pef pohonné jednotky Pef = Pmot. * ηmot * ηstr kde
Pmot - výkon pohonné jednotky (3 861 W) ηmot - účinnost motoru (počítána už při navrhování kola) ηstr - účinnost všech převodů stroje (~80 %)
Pef = 3 861. * 0,8 = 3 089 W 45
Obecný vztah pro výpočet posuvné rychlosti
u=
kde
Pef K *b*e
Pef - efektivní výkon pohonné jednotky (3 089 W) K - měrný řezný odpor (61,31 MPa) b - šířka řezné spáry (5 mm) e - výška rozřezávaného materiálu (~3000 mm)
u=
3089 = 0,033 m/s = 2,01 m/min 61,31 * 5 * 300
Jedná se o teoretickou posuvnou rychlost, které by bylo možno dosáhnout vzhledem k výkonu pohonné jednotky. Ve skutečnosti však není možná, protože pila dosahuje asi 100 zdvihů za minutu a řezná rychlost je 1,33 m/s. Výsledná posuvná rychlost je tak výrazně nižší a může se pohybovat přibližně kolem 0,5 m/min.
8.3.2 Kapacita řezného procesu
Pod tímto pojmem si lze představit maximální možné dosažitelné množství pořezané suroviny na pile za stanovenou dobu - směnu. Tato hodnota je navíc počítána za podmínky optimálního využití veškerých výrobních činitelů. Pro vyjádření kapacity lze použít různých jednotek. Jejich volba závisí na daných zvyklostech a také na druhu výroby (v tomto případě se jedná o množství pořezaného řeziva). Druhy kapacit lze rozdělit do dvou skupin podle jejich charakteristiky.
46
a) Teoretická kapacita
Cteor. - posuzuje i potřebný čas na pomocné operace, bez možných časových ztrát
Cteor. =
b) Efektivní kapacita
1 Th + T p
Cef - posuzuje množství výrobků za časovou jednotku při zohlednění možných časových ztrát
Cef =
1 Th + T p + Tst
kde Th - čas potřebný na hlavní operaci Tp - čas potřebný na pomocnou operaci Tst - časové ztráty, které mohou vzniknout za sledovaný čas výroby
Výpočet efektivní kapacity stroje
Cef = Cteor. * K1 * K2 kde K1 - koeficient časového využití stroje (u rámové pily 0,93) K2 - koeficient technologického využití stroje (u rámové pily 0,95) U výpočtů kapacity se navíc rozlišuje charakter stroje z hlediska charakteru posuvu. Stroje se tak dělí na průběžné - obrábění za ustáleného provozu a polohové - obrobek se k obrábění upevní v určité poloze a provádí se na něm několik operací (pracovní cyklus). V případě rámové pily se jedná o stroj průběžný. Pro výpočet tak bude použit vzorec pro efektivní kapacitu průběžných strojů.
47
Cef =
kde
u * 480 * K 1 * K 2 * i L * i0
u - posuvná rychlost (0,9 m/min.) L - délka výřezu (max. 5,2 m) i - počet současně obráběných dílců (1) i0 - počet průchodů výřezu přes stroj, nutných pro jeho obrobení
Pro výpočet přibližné výrobní kapacity pily je nutné tento vzorec mírně upravit. Číslo 480 ve vzorci udává počet minut za osmihodinovou směnu (8 * 60 = 480 min). V dřívějších dobách se však uvažovala směna, která trvala 12 hodin. Ve vzorci se tak bude počítat s číslem 720 (12 * 60). Jako maximální délka výřezu je uváděno 5,2 metru, v praxi však byly většinou řezány výřezy kratší - obvykle kolem čtyř metrů. Rámová pila má pouze jeden pilový list, proto musí výřez projít strojem vícekrát. Počet průchodů je závislý na průměru kulatiny, způsobu pořezu a také vyráběném řezivu. Sortiment dříve nebyl nijak tříděn a tak se řezaly kmeny nejrůznějších průměrů. Maximální průměr, který byla pila schopna pořezat, byl kolem 70 cm. Minimální průměr, který mělo ještě význam řezat, se pohyboval kolem 20 cm. Pro přibližný výpočet kapacity tak lze zvolit střední hodnotu z těchto průměrů - 45 cm. Nejčastějším sortimentem řezaným na pile byly fošny, jejichž tloušťka byla obvykle kolem 4 cm. Kulatina byla řezána na ostro. Nejdříve se kmen rozřízl na poloviny a poté se z těchto polovin odřezávaly od středu až do kraje jednotlivá prkna. Při řezání kmene o průměru 45 cm tak bylo třeba, aby výřez projel strojem 9 x.
48
Typický výrobní postup na pile: (výpočet kapacity podle současných norem)
Cef =
délka směny
8 hodin
délka výřezu
4 metry
průměr výřezu
45 cm
počet průchodů strojem
9
posuvná rychlost
0,9 m/min.
K1 (časové využití chodu stroje)
0,93
K2 (technologické využití stroje)
0,95
0,9 * 480 * 0,93 * 0,95 * 1 = 10,6 = ~ 10 výřezů za směnu 4*9
objem jednoho výřezu V = 3,14 * 0,2252 * 4 = 0,63 m3
objem pořezané kulatiny za směnu V = 10 * 0,63 = 6,3 m3
Výsledná kapacita 9,45 m3 je stanovena podle současných výpočtů. Jsou zde zohledněny nejrůznější koeficienty stanovené podle nejnovějších poznatků ve zpracování dřeva. Tato kapacita je proto výrazně vyšší než výrobní možnosti, kterých bylo možno ve své době na pile dosáhnout. Pro co nejpřesnější určení výrobní kapacity tak budou vzorce používané v současnosti co nejvíce přizpůsobeny tehdejším zvyklostem. V úvahu je třeba brát stupeň mechanizace, který měl značný vliv na technologické využití pily.
49
Typický výrobní postup na pile: (upravený podle dobových zvyklostí)
Cef =
délka směny
12 hodin
délka výřezu
4 metry
průměr výřezu
45 cm
počet průchodů strojem
9
posuvná rychlost
~ 0,4 m/min.
K1 (časové využití chodu stroje)
~ 0,5
K2 (technologické využití stroje)
~ 0,55
0,4 * 720 * 0,5 * 0,55 * 1 = 2,2 = ~ 2 výřezy za směnu 4*9
objem pořezané kulatiny za směnu V = 2 * 0,63 = 1,26 m3
Pro porovnání poslouží historické záznamy o výkonu tehdejších rámových pil. Výkon pil kolísal podle materiálu. Při zcela proschlém dubu nebo velmi čerstvém smrku byl výkon mezi 2 až 10 m2/hod. Špičkový závod mohl např. v severní Itálii na benátské pile vytvořit v průměru 7 m2 řezné plochy za hodinu. To přibližně odpovídá posuvu 0,5 m/min. Při 220 pracovních dnech za rok a denní i noční směně mohl pilař, který dobře rozuměl své práci za příznivých podmínek pořezat asi 3000 výřezů ročně (denní produkce 13,5 ks, produkce za směnu 6,75 ks) dlouhých 4,5 m na asi 30 000 ks řeziva. Při jednom průchodu strojem, průměrném průměru výřezu 25 cm a průměrné tloušťce řeziva 25 mm mohl být průměrný výkon jednorámové pily kolem 900 m3 řeziva ročně (4 m3 denně, za směnu 2 m3). Tyto výkony přepočtené na směnu přibližně korespondují s výkony vypočtenými u rámové pily z Dolního Mlýna. (Finsterbusch, Thiele, 1987)
50
9
Závěr Tato diplomová práce se zabývá popisem současného stavu, návrhem obnovy a
výpočtem výrobních možností rámové pily objektu Dolní Mlýn. Původně sloužil tento objekt jako mlýn, postupem času k němu byla přistavěna vertikální dřevěná rámová pila. Ta se dochovala ve velmi dobrém stavu až do dnešní doby.
V práci je popisován historický vývoj celého objektu, pozornost je přitom věnována především pilařské části. Jednotlivé součásti pily jsou popisovány jak po stránce technické, tak i po stránce historické. Popis se týká funkčnosti a kompletnosti zařízení. Definována je míra využitelnosti původních mechanismů. Tato část práce je doplněna fotodokumentací objektu v dnešní podobě a především výkresovou dokumentací. Výkresová dokumentace vychází jednak ze současného stavu zařízení a jednak z archivních záznamů a údajů pamětníků. Jsou zde zakresleny jak součásti, které se v objektu fyzicky nacházejí, tak i součásti, které se do dnešní doby nedochovaly. To se týká vodního kola a převodového soukolí.
Návrh obnovy a rekonstrukce pily vychází především z této výkresové dokumentace a z vyhodnoceného současného stavu technického vybavení pily. Tento návrh počítá s opětovným zprovozněním pily a s jejím využitím pro prezentační účely jako technické památky. Základním kritériem je snaha v maximální míře využívat původních dílů pily, které to svým technickým stavem dovolují. Aby byla tato rekonstrukce co nejvěrnější svou podobou původnímu zařízení, je nutné pro pohon použít vodní kolo. Rekonstrukce vodního kola vychází hlavně z archivních záznamů. Stejným způsobem bylo postupováno i při návrhu dalších chybějících částí pohonného mechanismu.
Další částí práce je vyhodnocení výrobních možností pily. Pro tento výpočet je důležitým údajem stanovení technických parametrů rámové pily. Pro jejich stanovení je směrodatným údajem výkon vodního kola a také jeho otáčky. Z návrhu vodního kola vyplývá, že výkon kola je 3 861 W při 7,5 ot/min. Tyto základní údaje slouží jako základ k dalším kapacitním výpočtům. Díky těmto výpočtům lze tedy stanovit maximální možnou posuvnou
51
rychlost pro daný výkon pohonné jednotky a z tohoto údaje poté výrobní možnosti pily. Podle teoretických údajů lze na pile dosáhnout výkonu až 6,3 m3 pořezaného řeziva za dvanáctihodinovou směnu. Po sestavení typického výrobního postupu, který byl stanoven podle údajů a vzpomínek pamětníků, je vypočtený výkon mnohem nižší - 1,26 m3 řeziva za směnu. Tento výsledek je však mnohem blíže skutečnosti a přibližně odpovídá reálným výrobním možnostem rámové pily v Dolním Mlýně, což potvrzují i archivní záznamy o výkonu podobných pil.
Závěrem nezbývá než doufat, že se v nejbližší budoucnosti najde subjekt, který bude schopen rekonstrukci rámové pily zrealizovat. Tato diplomová práce by v tomto případě mohla společně s výkresovou dokumentací posloužit jako cenný zdroj informací.
52
10 Summary This thesis describes the current status, design and calculation production recovery options frame saw in Dolní Mlýn. Originally the building served as a mill, over time it was built wooden vertical frame saw. She has survived very well preserved condition until today.
The work described the historical development of the whole building, attention is paid to the sawmill parts. The individual components of a saw are described both the technical as well as a historical site. The description covers the functionality and completeness of facilities. The degree of usability is defined of the original mechanisms. This part is complemented by an extensive photographic documentation of the building today and especially drawing documentation. Drawings based both on the current status and from archival records and details of witnesses. There are plotted as components that are physically located in the building, as well as those which are preserved to this day. This applies to water wheels and gearing.
Design recovery and reconstruction of the saw is mainly based on the drawings and evaluated the current state of technical equipment saw. This proposal includes the re-launch of the saw and its use for presentation purposes as a technical monument. The basic criterion is to maximize the use of original parts of the saw that the technical condition of the permit. To this reconstruction of its original form equipment is necessary to use a water-wheel drive. Reconstruction of the water wheel is based mainly on archival records,. The same approach was followed in the design of other missing parts of the drive mechanism.
Another part of this work is to evaluate the possibility of production sawing. It’s useful to calculate this important piece of data defining the technical parameters of sawmill. Identification of these data follows of the power and speed of the water wheel. The proposal for a water wheel is, that power of wheel is 3 861 W at 7.5 rpm. These basic data are used as a basis for further capacity calculations. With these calculations can then determine the maximum sliding speed for the performance of a power unit, and from this then saw production possibilities. According to the theoretical data can reach the sawmill capacity of
53
up to 6.3 cubic meters of timber a twelve-hour shift. After building a typical production process, which was determined according to the data and eyewitness accounts, the calculated power is much lower - 1.26 cubic meters of timber per shift. This result is much closer to reality and is roughly equivalent to a real manufacturing capabilities of sawmill in Dolní Mlýn, which is confirmed by archival footage of the performance of similar saws.
Finally, let's hope that in the near future find the appropriate person who will be willing to implement the reconstruction of frame saw. This thesis, in this case could together with documentation drawings serve as a valuable source of information.
54
11 Seznam obrázků Obr. 1 Náčrtek mlýna ke stavbě pily u Dolního Mlýna........ ....................................................14 Obr. 2 Pohled na budovu pilnice z jihovýchodní strany...... ....................................................16 Obr. 3 Kliková hřídel pohánějící rámovou pilu....... ................................................................17 Obr. 4 Svislá rámová pila - současný stav.. ...........................................................................18 Obr. 5 Převodové soukolí zajišťující pohyb vozíku..................................................................19 Obr. 6 Pohled na vozík s upínacím zařízením..........................................................................20 Obr. 7 Improvizovaně podepřený trám pracovního podlaží pily.............................................21 Obr. 8 Pohled na rámovou pilu společně s posuvným vozíkem...............................................22 Obr. 9 Značné opotřebení trámů nosné konstrukce vozíku......................................................23 Obr. 10 Původní elektromotor - současný stav........................................................................25 Obr. 11 Místo, ve kterém byla hlavní transmise po rekonstrukci uříznuta..............................26 Obr. 12 Pastorek dřevěné hřídele sloužící k posuvu vozíku....................................................26 Obr. 13 Korečník na horní vodu s popisem hlavních součástí a nejdůležitějších rozměrů ...34 Obr. 14 Nomogram pro zjištění hodnot A, B ..........................................................................42 Obr. 15 Nomogram pro zjištění hodnoty Vm............................................................................42 Obr. 16 Nomogram pro zjištění hodnoty p .............................................................................43
55
12 Seznam použité literatury ŠTĚPÁN, L. -- KŘIVANOVÁ, M. Dílo a život mlynářů a sekerníků v Čechách. 1. vyd. Praha: Argo, 2000. 307 s. ISBN 80-7203-254-2.
Technické památky v Čechách, na Moravě a ve Slezsku: A-G. I. díl. 1. vyd. Praha: Libri, 2001. 622 s. ISBN 80-7277-042-X.
Vodní mlýny: sborník referátů ze semináře, 18. - 19. 6. 2002. 1. vyd. Vysoké Mýto: Okresní muzeum ve Vysokém Mýtě, 2002. 126 s. ISBN 80-238-9879-5.
JANÁK, K. Pila Penikov - projekt obnovy technické památky. 2002.
BETHMANN, H. Rámové pily a pomocné stroje pilařské. Lipsko: Karel Scholtze, 1908. 91 s.
PROKEŠ, S. Obrábění dřeva a nových hmot ze dřeva. 2. vyd. Praha: SNTL, 1978. 583 s.
BLÁHA, J. a kol.: Operativní průzkum a dokumentace historických staveb. NPÚ Praha 2005, 111 s., ISBN 80-86516-18-0.
MAKOVSKÝ, V.: Zadní Zhořec - vlastivědná mapa. Zadní Zhořec: Obecní úřad, 2004. 270 s.
MAKOVSKÝ, V.: Mlýny a mlynáři na Velkomeziříčsku: 1344 - 2004, III. svazek, Velké Meziříčí, Vlastivědná a genealogická společnost, 2004. 170s. ISBN 80-239-3751-0.
HOLOPÍREK, J.: Teorie obrábění dřeva (návody do cvičení). 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2001. 52 s., ISBN 80-7157-503-8.
FINSTERBUSCH, E., THIELE, W.: Vom Steinbeil zum Sägegatter. VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1987
56
