microbik.ru
1 2 3 4




На правах рукописи

Глухих Владимир Николаевич

Повышение качества сушки

пиломатериалов на основе учета

анизотропии древесины при составлении

схем раскроя бревен


      1. Древесиноведение, технология и оборудование

деревообработки

АВТОРЕФЕРАТ


диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2008 г.
Диссертационная работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бирман Алексей Романович

доктор технических наук, профессор Турушев Валентин Гурьянович

доктор технических наук, профессор Ермолин Владимир Николаевич
Ведущая организация: ОАО «УРАЛНИИПДРЕВ», г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится 26 февраля 2009 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.220.03 при Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова (194021, г. Санкт-Петербург, Институтский пер. д., 5, главное здание, зал заседаний)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан «____» _________________ 200__ г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Анисимов Г.М.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Традиционные способы группового раскроя бревен на пиломатериалы обеспечивают валовые, объемные показатели.

При составлении схем раскроя бревен на пиломатериалы ответственного назначения не прогнозируется их качество при последующей сушке.

Потери пиломатериалов из-за технического брака при сушке в условиях использования традиционных способов распиловки бревен практически не сокращаются. Обзор научно-исследовательских работ показывает, что с момента появления камерной сушки проблема качества пиломатериалов была и остается острой.

При выпуске экспортных пиломатериалов по ГОСТ 26002-83Э попутная пилопродукция составляет 25-30%. Это пилопродукция низких сортов, отвечающих пониженным требованиям ГОСТ 8486-86. Одной из причин высокого объема попутной пилопродукции являются дефекты сушки. К основным из них относятся коробление и растрескивание пиломатериалов.

Первопричиной дефектов и своеобразным тормозом при попытках интенсификации режимов сушки древесины являются появляющиеся внутренние напряжения. Это происходит при появлении перепада гигроскопической влажности в пиломатериалах в процессе сушки.

В таком материале с криволинейной анизотропией как древесина даже при отсутствии градиента гигроскопической влажности возникнут внутренние напряжения. Суммарное напряжение можно уменьшить одновременным снижением обеих составляющих. Первой - путем применения и тщательного соблюдения существующих режимов сушки. Второй - за счет составления и применения таких схем раскроя бревен, которые позволяют получить пиломатериалы с менее резко выраженной анизотропией.

Внешним проявлением этих напряжений является изменение формы материала (коробление). При появлении предельных напряжений возникает опасность образования трещин. В зависимости от величины внутренних напряжений сопротивляемость пиломатериалов предотвращению коробления будет различной. Практически это означает, что чем ниже сопротивляемость досок предотвращению коробления, тем в меньшем количестве верхних рядов сушильного штабеля пиломатериалы будут иметь коробление, тем меньше будут остаточные напряжения в материале в результате сушки.

К основным факторам, определяющим поведение древесины в процессе высушивания и недостаточно изученным, относятся анизотропия усушки, анизотропия характеристик упругости.

Установление соответствующих связей позволит не только изучить влияние анизотропии на качество сушки, но и послужит источником дополнительной информации о свойствах материала.

Попытки учесть анизотропию свойств древесины приводили к усложнению задачи, поэтому выдвигались те или иные упрощающие гипотезы, с помощью которых удавалось получить приближенное решение. При этом не учитывался криволинейный характер анизотропии древесины. Построение рациональных режимов лесопиления и сушки древесины требует более полной информации об анизотропии ее характеристик упругости, деформативности и прочности.

Повышение полезного выхода сухих пиломатериалов в технологическом процессе сушки за счет сокращения потерь пиломатериалов из-за коробления и растрескивания на базе научно обоснованного подхода к составлению схем раскроя бревен является актуальной научно-технической проблемой, имеющей значение для деревообрабатывающей промышленности, что подтверждается многочисленными исследованиями в России и за рубежом.

Цель работы  повышение качества сушки пиломатериалов на основе использования фактора анизотропии древесины.

На основании анализа научных публикаций сформулированы следующие задачи исследования, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

 Проанализировать напряженное состояние круглого и прямоугольного сортиментов в плоской задаче с целью установления соотношения напряжений усушки из-за анизотропии свойств древесины и от градиента гигроскопической влажности.

• Исследовать влияние анизотропии древесины на ее напряженное состояние путем решения дифференциального уравнения в декартовых координатах для цилиндрически анизотропного тела с использованием функции напряжений в виде суммы полиномов в задаче для прямоугольных сечений.

• Обосновать использование факторов анизотропии усушки, анизотропии упругих характеристик, сопротивляемости предотвращению коробления для повышения качества сушки пиломатериалов.

• Исследовать взаимосвязь показателей анизотропии древесины между собой.

• Обосновать единый критерий для оценки влияния анизотропии древесины на качество сушки - упругую деформативность поперек волокон.

• Разработать методику прогнозирования качества сушки пиломатериалов по критерию деформативности древесины.

• Проанализировать различные схемы раскроя бревен на пиломатериалы по критерию деформативности.

• Обосновать и исследовать качество сушки пиломатериалов, получаемых из косослойных бревен.

• Провести экспериментальные исследования для изучения сопротивляемости пиломатериалов предотвращению поперечного коробления с целью получения данных об адекватности разработанных математических моделей.

Объект исследований  пиломатериалы, проходящие в технологическом процессе обработки камерную сушку.

Предмет исследований  анизотропия древесины, ее влияние на

качество сушки пиломатериалов.

Научная новизна:

  • показатели анизотропии усушки и характеристик упругости древесины одинаковы;

  • модуль упругости и относительная деформация усушки древесины являются взаимосвязанными функциями, удовлетворяющими дифференциальному уравнению для цилиндрически анизотропного тела;

  • решение в полиномах дифференциального уравнения в частных производных для цилиндрически анизотропного ортотропного тела позволило учесть криволинейную анизотропию древесины в задачах напряжений;

  • взаимосвязь деформативности древесины поперек волокон и размерных параметров пиломатериалов является базой при разработке компьютерных программ для проектирования схем распиловки бревен.

Вклад в теорию и практику:

  • разработанная модель образца в виде сектора, в пределах которого радиальная и тангенциальная усушки реализуются независимо друг от друга, позволяет прогнозировать появляющиеся поперечное коробление и разнотолщинность пиломатериалов при сушке;

  • разработанная диаграмма упругой деформативности древесины поперек волокон обеспечивает оперативное прогнозирование качества сушки пиломатериалов;

  • составление схем раскроя бревен с использованием диаграммы деформативности обеспечивает повышение качества сушки получаемых пиломатериалов;

  • результаты исследований упругих характеристик и деформаций усушки древесины служат основой для подбора пиломатериалов при изготовлении клееных деревянных конструкций;

  • количество экспериментально определяемых упругих характеристик древесины как цилиндрически анизотропного тела уменьшено с 18 до 9 благодаря найденной взаимосвязи между независимыми постоянными упругости.


Основные научные гипотезы и результаты, выносимые на защиту:

    • учет изменения деформативности по ширине пласти доски при составлении схемы раскроя бревна обеспечивает снижение внутренних напряжений и повышение качества сушки;

    • учет продольной усушки пиломатериалов при составлении схем раскроя бревен обеспечивает снижение всех видов продольного коробления при сушке;

    • принимается, что к древесине, как цилиндрически анизотропному ортотропному однородному упругому телу, применимы методы теории упругости анизотропного тела, у которого годичные слои являются идеальными окружностями, ось анизотропии параллельна образующей, а одна из трех плоскостей упругой анизотропии нормальна в каждой точке к оси анизотропии.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались и обсуждались: на Всесоюзном Совещании по сушке древесины (г. Архангельск, 1975); на Всесоюзной конференции «Актуальные направления развития сушки древесины» (г. Архангельск, 1980); на научно-технической конференции УкрНИИМОД «Научно-технический прогресс в деревообрабатывающей промышленности» (г. Киев, 1978); на международной конференции по проблемам деревообрабатывающей промышленности (г. Минск, 1999); на II Международном Евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент» (г. Екатеринбург, 2007); на Координационных Совещаниях по сушке древесины (г. Архангельск, ЦНИИМОД, 1975, 1980); на краевых научно-технических конференциях (г. Красноярск, 1975-1993 г.г.); на научно-технической конференции «Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса» (Екатеринбург, 1997); на научно-технических конференциях Санкт-Петербургской лесотехнической академии (1995-2008); включены в научно-исследовательские отчеты по внедрению научных разработок: на Красноярском ДОЗ-2 Минтяжстроя СССР (1973-1976 г.г.); на Маклаковском ЛДК(1994г.).

Реализация работы. Основные результаты внедрены на Маклаковском ЛДК (г. Лесосибирск, Красноярского края).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в монографии, 2 обзорах, 35 статьях, 1 авторском свидетельстве, в том числе 18 – в изданиях, рекомендованных ВАК. Материалы исследований отражены в 3 научно-технических отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения.

Общий объем работы 291 страниц. Диссертационная работа содержит 64 рисунка, 30 таблиц. Список литературы содержит 159 наименований.

Cодержание работы

Во введении сформулирована актуальность темы диссертации, определены цель исследований, научная новизна, значимость для теории и практики, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

1. Состояние проблемы и задачи исследования.

В разделе приведен обзор и анализ литературных источников по традиционному групповому способу распиловки бревен на пиломатериалы. Отмечен фундаментальный вклад в теорию раскроя бревен на пиломатериалы отечественных ученых Х.Л. Фельдмана, Д.Ф. Шапиро, А.Н. Песоцкого, Н.А. Батина, П.П. Аксенова, В.Ф. Ветшевой, Р.Е. Калитеевского и др. Большой вклад в разработку технологий и внедрение их в производство внесли ученые отраслевых научно-исследовательских институтов ЦНИИМОД, ВНИИДрев, УралНИИПДрев, КарНИИЛП, СибНИИЛП.

Практически во всех работах отмечается, что при последующей сушке полученных пиломатериалов часть из них переходит в низшие сорта из-за дефектов сушки. К основным из них относятся коробление и растрескивание, причем из всех видов технологического брака, по данным В.С. Ясинского коробление составляет 44%.Потери из-за коробления составяляют от 10-15%(по данным И.С. Стриха, O. W. Torgesson и др. исследователей), до 20,8% по данным Höger E., до 32,2% по данным В.С. Коваль.

Первопричиной появления трещин и коробления пиломатериалов при сушке являются внутренние напряжения, основоположником теории расчета которых является проф. Б.Н. Уголев.

В своих работах Б.Н. Уголев показал, что при изменении коэффициента усушки и модуля упругости по толщине доски эпюра внутренних напряжений при предотвращении коробления становится несимметричной. На наружной пласти доски напряжение увеличивается на 15% и возрастает опасность появления пластевых трещин. При сушке без прижима появляется поперечное коробление.

Большое число работ в нашей стране и за рубежом были посвящены изучению причин появления коробления у пиломатериалов в процессе сушки и разработке мероприятий по его предотвращению. Значительный вклад в изучение проблемы потерь пиломатериалов от коробления внесли К.И. Коленчук, П.В. Соколов, И.С. Стриха, А.В. Сухова, В.Н. Люленко, Н.Ф. Скрипальщикова, W.C. Stevens, S. Weckstein, W. Rice и др. С.И. Акишенковым исследовался вопрос торцово-пластевого растрескивания пиломатериалов при сушке. Исследованиями П.А.Леонтьева, ученых из Forest Products Laboratory, доказано, что пиломатериалы полученные при распиловке параллельно сбегу, имеют хорошее качество в результате сушки и выход заготовок увеличивается на 10%.

Одним из путей снижения потерь пиломатериалов является применение прижимов для сушильного штабеля. Потери, по данным E. Höger, снизились с 20,8% при сушке без прижима до 3,5% при сушке с прижимом. Подобные результаты получены П.В. Соколовым, В.Н. Люленко, исследователями в ЦНИИМОД, ЛТА, УКРНИИМОД, ВНИИДрев, УралНИИПДрев, в США, Румынии и др. По данным W.C. Stevens при сушке с прижимом пиломатериалов ели средняя величина угла закручивания при диагональном короблении составила 1,4˚, при сушке без прижима 5˚.

Отечественными учеными П.В. Соколовым, В.Н. Люленко, Г.Г. Петрухиным, зарубежными - W. Kontek, Т. Perkitny, O. Paprzycki, были проведены исследования по определению сопротивляемости пиломатериалов предотвращению коробления. Было установлено, что на величину силы коробления оказывают влияние температура режима сушки, положение годичных слоев в сечении пиломатериалов.

Проанализированы работы Е.К. Ашкенази, А.Н. Митинского, А.Л. Рабинович, Ю.С. Соболева, С.Г. Лехницкого, посвященные анизотропии упругих характеристик древесины. Существующие методики регламентируют для получения достоверной информации о 9 независимых постоянных упругости определять экспериментально 18 величин.

Древесина является сильно анизотропным материалом. В плоскости поперек волокон в двух главных направлениях характеристики упругости различаются в среднем в 2,2 раза. В продольном направлении по отношению к поперечному – в 10 и более раз. Связь между независимыми постоянными упругости в соответствующих плоскостях не установлена. В связи с этим невозможно достоверно проанализировать изменение по сечению пиломатериалов упругой деформативности как величины обратной модулю упругости.

Несмотря на большое число работ, посвященных исследованиям причин потерь пиломатериалов от технического брака при сушке, качество сушки продолжает оставаться низким.

Совершенствование конструкций сушильных камер и режимов сушки не может привести к кардинальному сокращению потерь пиломатериалов при сушке. Вопрос качества сушки должен решаться в комплексе с разработкой схемы раскроя бревна на пиломатериалы. Коробление досок – это фактически скрытый дефект лесопиления, который проявляет себя в сушильной камере.
2. Теоретические исследования напряжений в древесине как цилиндрически анизотропном теле

Экспериментальными исследованиями установлено большое различие между характеристиками упругости, прочности, коэффициентами усушки в различных структурных направлениях. При раскрое бревен на пиломатериалы получают доски с различно выраженной анизотропией в зависимости от расположения годичных слоев – радиальные, полурадиальные и тангенциальные.

В практике сушки древесины известно, что радиальные и полурадиальные пиломатериалы имеют достаточно хорошее качество в результате сушки. Но получить только такие пиломатериалы при распиловке бревен не всегда возможно.

Основными дефектами сушки являются торцово-пластевые и пластевые трещины, коробление, значительные остаточные напряжения. Нереализованное поперечное коробление доски при сушке в зажатом состоянии способствует увеличению напряжений на наружной пласти и вызывает появление пластевых трещин.

Внутренние напряжения усушки в пиломатериалах являются главным препятствием для ужесточения режимов сушки.

Напряжения в пиломатериалах при сушке можно условно разделить на две составляющие: первая – это напряжение из-за градиента гигроскопической влажности; вторая – из-за анизотропии усушки и характеристик упругости. Какую часть вторая составляющая занимает по сравнению с первой, неизвестно. Известно лишь, что при предотвращении коробления напряжение на наружной пласти возрастает в одних задачах до 15%, в других до 40%.

Решая упругую плоскую задачу для высушиваемого круглого диска единичной толщины при отсутствии градиента гигроскопической влажности методами теории упругости анизотропного тела, получаем уравнение для окружных и радиальных напряжений:

; (1)

, (2)

где ;

; ;

, ; ; ,

Er, tr, rt – упругие характеристики древесины; - показатель анизотропии; WПГ – предел гигроскопичности древесины, %; WП, WЦ – влажность на контуре и в центре круглого диска, %; Kt, Kr  коэффициент усушки в тангенциальном и радиальном направлениях, %; R – радиус диска.

При равномерном снижении гигроскопической влажности в круглом диске обязательно появятся напряжения r и t.

При отсутствии градиента влажности окружное напряжение составляет 35,6% от напряжения при градиенте влажности 1%.

Для сравнительной оценки напряжений усушки в прямоугольных сечениях нами была решена приближенно задача подобно задачам в строительной механике с использованием метода перемещений.

Из подвергаемой равномерной сушке круглой пластинки (Рис.1) мысленно вырезаем прямоугольник, освобождая его от связей и нагружая по кромкам нагрузкой, противоположной напряжениям на контуре. Нормальная и сдвиговая нагрузка могут быть определены с использованием уравнений (1) и (2). Считая прямоугольную пластинку достаточно узкой, можно считать ее полосой, у которой закон распределения нагрузки на концах не влияет на характер распределения напряжений в центре, а целиком определяется лишь равнодействующей. Для сердцевинной доски, в нашем примере, это равнодействующая вдоль оси Х. По боковым кромкам пластины будем учитывать только касательную нагрузку.



Рис. 1. Схема полосы с нагрузками
Вычитая из напряжений усушки напряжения от нагрузок можно получить напряжения в полосе:

, (3)

где  напряжения в полосе при стесненной деформации усушки;

 напряжения в полосе от нормальной нагрузки на концах;

предполагаем, что в некотором приближении это напряжение

распределено как и сама нагрузка;

 нормальное напряжение от сдвиговой нагрузки, распределенной

по длинным кромкам полосы. В точках при х=0 это напряжение

постоянно.

(4)

Итоговое напряжение, согласно (3):

. (5)

Эпюра напряжений из-за анизотропии древесины приведена на рис.2. При пределе прочности сосновой древесины на растяжение в тангенциальном направлении 3-3,5 МПа это напряжение возникает уже при снижении гигроскопической влажности всего на 5,8%. С учетом реологии этот процент будет несколько выше. Однако, из расчета видно, что высушить сердцевинную доску до транспортной влажности без пластевой трещины практически невозможно.

Y

0,602 х
b2

X

b1

20 мм

40 мм

100 мм
Рис.2. Напряжения при равномерной сушке сердцевинной доски

Отношение максимальных напряжений в прямоугольной пластине при градиенте и при его отсутствии:

. (6)

Для сосновых пиломатериалов напряжение из-за анизотропии древесины составляет 74,3% от напряжения, вызванного градиентом влажности. Что весьма существенно. Это позволяет перейти к рассмотрению фактора анизотропии древесины и исследованию возможностей использования этого фактора для повышения качества сушки пиломатериалов и сокращения потерь от технологического брака.


следующая страница >>