Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и задачи исследований 10
1.1 Основные направления по улучшению физико - механических характеристик древесины 10
1.2 Композиционные материалы на основе прессованной
древесины и различных наполнителей 18
1.3 Технологические режимы процесса пропитки древесины под давлением модифицирующими составами 26
1.4 Цель и задачи исследований 36
1.5 Выводы по главе 37
2 Теоретическое обоснование процесса пропитки древесины под давлением 38
2.1 Методика моделирования 38
2.1.1 Выбор метода моделирования 38
2.1.2 Представление древесины в модели 39
2.1.3 Представление пропитывающей жидкости в модели 40
2.1.4 Расчет сил, действующих на элементы жидкости 41
2.1.5 Решение системы дифференциальных уравнений 43
2.1.6 Программная реализация модели 44
2.1.7 Особенности проведения компьютерного эксперимента 46
2.2 Теоретическое исследование процесса пропитки древесины на микроуровне 46
2.2.1 Стратегия теоретического исследования 46
2.2.2 Проверка работоспособности модели 47
2.2.3 Исследование начальных стадий пропитки сосны 47
2.2.4 Исследование начальных стадий пропитки березы 51
2.2.5 Влияние температуры жидкости на эффективность пропитки
2.3 Теоретическое исследование процесса пропитки древесины на мезоуровне 58
2.3.1 Модель пропитки древесины на мезоуровне 58
2.3.2 Программная реализация модели 61
2.3.3 Анализ кинетики пропитки древесины березы 62
2.3.4 Описание процесса пропитки аналитическими выражениями 65
2.4 Выводы по главе 69
2.5 Направления возможных дополнительных исследований 70
3 Методика исследований 72
3.1 Методика и аппаратура пропитки древесины 72
3.2 Методика введения наноцеллюлозы в древесину 78
3.3 Методика определения коэффициента трения и износа 80
3.4 Методика планирования эксперимента и оптимизации результатов 89
3.5 Характеристика используемых модификаторов (НКЦ и Biol) 94
3.6 Методика определения физико-механических свойств древесины 97
4 Экспериментальная часть 98
4.1 Разработка и оптимизация технологических параметров пропитки натуральной древесины березы 98
4.2 Исследование процесса пропитки прессованной древесины смазкой Biol и наноцеллюлозой 102
4.3 Результаты многофакторного эксперимента, построение математических моделей и оптимизация технологических параметров 105
4.4 Использование наноцеллюлозы для увеличения прочности древесины и прочности при склеивании 111
4.5 Результаты испытаний на трение и износ 116
4.6 Физико - механические свойства прессованной древесины 121
4.7 Выводы по главе 123
5 Технико-экономическая эффективность применения прессованной древесины в узлах трения 125
5.1 Разработка конструкции, технология изготовления и производственные испытания деталей трения из прессованной древесины 125
5.2 Расчет экономической эффективности применения деталей из прессованной древесины 135
Основные выводы и рекомендации 140
Библиографический список
- Технологические режимы процесса пропитки древесины под давлением модифицирующими составами
- Решение системы дифференциальных уравнений
- Методика определения коэффициента трения и износа
- Результаты многофакторного эксперимента, построение математических моделей и оптимизация технологических параметров
Технологические режимы процесса пропитки древесины под давлением модифицирующими составами
Благодаря ряду специфических свойств, прессованная древесина нашла наибольшее применение как антифрикционный материал, используемый для изготовления подшипников скольжения, узлов трения различных машин и механизмов. Поэтому, решая вопросы повышения нагрузочной способности материала за счет ликвидации существующих недостатков и улучшения физико-механических показателей, необходимо учитывать влияние наполнителей на антифрикционные свойства.
Еще в 1935 г. были предприняты первые шаги по применению прессованной древесины в качестве полноценного заменителя антифрикционных металлов.
Профессором П.Н. Хухрянским [78] были проведены исследования с целью определения возможности применения ДП вместо бронзы, в металлообрабатывающих станках. Он установил, что при скоростях скольжения 0,5-0,6 м/с и удельной нагрузке до 4,5 кг/см (0,45 МПа) может использоваться береза одноосного прессования, причем с целью уменьшения коэффициента трения, прессованную древесину необходимо пропитать в масле.
В настоящее время имеется большой опыт применения ДП в парах трения с металлами при различных удельных нагрузках и скоростях скольжения. В работах Н.П. Хухрянского [80], Н.И. Винника [10, 22], Г.К. Гаврилова [11, 12], В.А. Шамаева [86, 90], В.К. Петриченко [60], М.В. Цыхманова [1, 3] и др., проведены исследования работоспособности подшипников из прессованной древесины при смазке самыми различными маслами и пластичными смазками. Неоспоримы достоинства ДП как антифрикционного материала.
Во второй половине XX века усилиями ученых и практиков решен ряд проблем, связанных с улучшением физико-механических свойств прессованной древесины путем ее пропитки различными материалами [2, 4]. Важное значение для расширения работ в этом направлении имеют теоретические исследования [25, 27]. В результате появились новые материалы из модифицированной древесины и схемы технологических процессов их производства [8, 21]. При пропитке древесины различными методами и материалами [51, 52], в том числе легкоплавкими металлами и смолами, путем термомеханической и химической модификации, можно добиться увеличения ее прочности, износостойкости, теплопроводности и теплостойкости, водостойкости, стабильности размеров [99, 108].
Пластифицированная (обработанная аммиаком) древесина является наиболее распространенным видом модифицированной древесины; она наполнена смолами, расплавленными металлами, комбинированными материалами (металлом и смолами), чистыми минеральными маслами и маслами с присадками высокомолекулярных соединений. Последняя является самосмазывающимся материалом [98, 101].
Пластифицированная древесина разработана Институтом химии древесины Латвии. Выдерживая свежесрубленную древесину в 25 % растворе аммиака при обычной температуре и незначительном повышении давления, получают пластифицированную древесину. Достоинством этого способа модификации является то, что не требуется предварительная обработка древесины и давление при прессовании составляет р = 8 МПа, что в 3-4 раза меньше, чем при других способах. Работоспособность пластифицированной древесины несколько ниже чем у древесины, полученной способом термомеханической модификации [70, 71].
Сущность способа заключается в обработке древесины аммиаком с последующим уплотнением. Данный способ получил наибольшее развитие в Латвии благодаря трудам Г.В. Берзиныпа и К.А. Роценса [19, 64].
Модифицированная древесина, полученная этим способом, имеет товарный знак «лигнамон» и обладает повышенной формостабильностью относительно прессованной древесины. Реализуя данный способ модификации древесины впервые были совмещены по месту и времени технологические операции уплотнения и сушки. Данная технология получения лигнамона автоклавным методом широко применяется в Словакии для производства моделей литья и товаров народного потребления.
Сложность технологического оборудования вследствие необходимости работы с токсичным аммиаком является недостатком данного способа.
Дальнейшим развитием способа пластифицирования древесины является обработка ее растворами карбамида с последующими уплотнением и термообработкой. Пропитка древесины карбамидом позволяет получить материал «дестам», обладающий повышенной формостабильностью в среде с переменной влажностью по сравнению с немодифицированной ДП. Механические характеристики дестама близки к лигнамону, что указывает на родственный характер этих материалов. Наибольшее применение дестам может найти при изготовлении покрытий полов и мебельных заготовок, производстве шпал для железных дорог и метрополитена [71, 79].
Известно, что свойства древесины мягких лиственных пород можно существенно изменить, значительно повысив плотность методом химико-механического модифицирования [31, 83]. Прочностные показатели дестама не ниже, а в некоторых случаях превышают, показатели древесины дуба; например, водо- влагопоглощение дестама вдвое ниже, а формоизменяемость остается на уровне натуральной древесины. Сущность метода заключается в диффузионной пропитке свежесрубленной древесины мягких лиственных пород в растворе карбамида вымачиванием и последующей сушке при механическом давлении 0,5...0,9 МПа в сушильных камерах, оборудованных гидроцилиндрами. Полученный материал имеет цвет от светло- до темно-коричневого, напоминая текстурой грецкий орех, и может использоваться для изготовления мебели.
Решение системы дифференциальных уравнений
Особенности проведения компьютерного эксперимента Компьютерный эксперимент заключается в просчете проникновения жидкости в структуру древесины в течение некоторого промежутка времени (1000 шагов интегрирования). В процессе компьютерного эксперимента выводятся распределения концентрации жидкости внутри древесины С{х) и С(у), а также распределение давления в направлении пропитки Р(х).
Для проверки работоспособности физической и математической модели пропитки провели первые компьютерные эксперименты с моделью. В процессе компьютерного эксперимента жидкость двигалась по сосудам древесины, перетекая из сосуда в сосуд по порам. Таким образом, происходящие в модели процессы хорошо согласуются с представлениями о механизме пропитки древесины. 2.2.3. Исследование начальных стадий пропитки сосны Так как фрагмент древесины в физической модели имеет незначительную протяженность вдоль направления пропитки (порядка 100 мкм), модель наиболее точно позволяет исследовать начальные стадии пропитки. На рисунке 2.5 представлены последовательность пропитки древесины. Рисунки сделаны в следующие моменты времени от начала пропитки: 0, 1,2,4,6,8, Заполнение жидкостью фрагмента физической структуры сосны с течением времени Анализируя последовательность рисунков можно убедиться, что с увеличением диаметра трахеиды dc жидкость движется быстрее, при этом зависимость приблизительно следующая УЖ = v0 + P \dc ; где УЖ - скорость движения жидкости; Vo - скорость движения жидкости в самой малой трахеиде; (3 - коэффициент пропорциональности.
Несмотря на то, что положение фронта жидкости в трахеиде зависит от диаметра трахеиды, масса жидкости, находящейся в трахеидах, практически не зависит от диаметра трахеид (за исключением очень малых диаметров трахеид поздней зоны). Об этом свидетельствуют пики почти одинаковой протяженности на поперечных профилях пропитки (рисунок 2.6). По -видимому, чем меньше диаметр трахеиды, тем больше давление в ней, и жидкость находится в более сплошном состоянии.
Анализ профилей концентрации жидкости вдоль направления пропитки (рисунок 2.7) показывает, что, даже, несмотря на то, что постепенно фрагмент древесины заполняется жидкостью, массовая концентрация жидкости уменьшается в направлении пропитки по приблизительно линейному закону.
При движении жидкости, вблизи фронта жидкости, существуют несколько характерных давлений (рисунок 2.8). Первое характерное давление Р\ (самое малое) заставляет жидкость двигаться свободно по полостям трахеид. Второе характерное давление Рг заставляет жидкость протекать через поры.
Исследование начальных стадий пропитки березы Лиственные породы древесины имеют другую микроскопическую структуру, поэтому пропитка древесины происходит несколько по-другому. На рисунке 2.9 представлены последовательность пропитки древесины. Рисунки сделаны в следующие моменты времени от начала пропитки: 0, 1,2, 4, 6, 8 с.
Изменение давления пропитывающей жидкости вдоль модельного фрагмента березы с течением времени Сравнение результатов компьютерного эксперимента с результатами реальной пропитки прессованной древесины березы вдоль волокон на образцах размером 50 о 50 о 100 мм (последний размер вдоль волокон) на начальной стадии пропитки (длительность 8 с) показало их близкую сходимость (рисунок 2.13). Максимальное расхождение на начальной и конечной стадиях пропитки не превышает 7 %. глубина пропитки
Изменение концентрации смеси смазки Biol и гидрогеля нанокристаллической целлюлозы (8 %) через 8 с от момента начала пропитки по результатам компьютерного (1) и активного (2) эксперимента при давлении 8 атм 2.2.5 Влияние температуры жидкости на эффективность пропитки
Физическое моделирование на мезоуровне, в отличие от микроуровня позволяет решать задачи, связанные с мезоскопическими элементами структуры древесины: несколько годичных слоев, дефекты древесины, сучки, и т.п.
В рамках мезоскопической физической модели древесина представляется в виде большого количества (несколько тысяч) отдельных полостей, сообщающихся между собой перепускными отверстиями (рисунок 2.15). Размеры полостей, их форма, количество перепускных отверстий в различных направлениях задается на основе технической модели древесины (рисунок 2.16). Моделирование проникновения жидкости основано на законах классической гидравлики.
Методика определения коэффициента трения и износа
На основании предварительных экспериментов для дальнейших исследований были отобраны 7 факторов. Длина образцов вдоль волокон принята постоянной - 22,5 мм, так как для втулок с радиальным расположением волокон толщина стенки обычно не превышает 10-20 мм.
С целью выделения доминирующих эффектов, влияющих на процесс наполнения ДП, был поставлен отсеивающий эксперимент с использованием метода Бокса и Уилсона. Чтобы оценить линейные эффекты независимо друг от друга и от парных взаимодействии план типа 2 повторяли дважды, причем во второй серии поменяли все знаки в матрице планирования на обратные и рассматривали оба плана вместе.
На основании результатов компьютерного эксперимента решено было выбрать уровни и интервалы варьирования факторов, представленные в таблице 4.3.
После реализации плана 2 " было установлено экспериментальным путем влияние каждого из 7 факторов на степень наполнения ДП. Количественной мерой этого влияния являлась величина коэффициента регрессии при данном факторе.
Проверка по t - критерию показала, что все коэффициенты регрессии оказались значимыми. По степени влияния на поглощающую способность ДП факторы расположились в следующем порядке:
По величине вклада можно выделить две группы факторов. К первой группе относятся: плотность ДП, время воздействия вакуума и величина избыточного давления. Вклад, вносимый этими факторами наиболее существенный. Причем, наибольшее влияние на степень наполнения оказывает плотность ДП, с уменьшением которой увеличивается количество поглощенной смазки Biol. Ко второй группе относятся: температура ДП, влажность ДП, температура расплава смазки Biol и время выдержки под давлением. Вклад, вносимый этими факторами примерно одинаков. С увеличением значений этих факторов (кроме влажности ДП) степень наполнения возрастает.
Проверка на адекватность по F - критерию показала, что данное уравнение неадекватно. Это обстоятельство не имеет большого значения, так как основная цель отсеивающих экспериментов состоит в выделении значимых эффектов, которые будут использованы при оптимизации процессов наполнения.
На основании отсеивающих экспериментов установлено, что главным фактором, влияющим на процесс наполнения, является плотность ДП, с уменьшением которой степень наполнения возрастает. Поэтому, для достижения более высокой степени наполнения следовало бы проводить последующие эксперименты с прессованной древесиной, имеющей низкую плотность. Однако, при плотности ДП менее 1100 кг/мЗ Xj падают прочностные характеристики материала, а при плотности ДП свыше 1200 кг/мЗ значительно снижается степень наполнения древесины и соответственно снижается эффект от модифицирования. В связи с этим все последующие опыты проводились с прессованной древесиной имеющей плотность 1100 и 1200 кг/мЗ. Время воздействия вакуума в дальнейших опытах принималось постоянным и равнялось 5 мин.
Результаты многофакторного эксперимента, построение математических моделей и оптимизация технологических параметров
Математические модели процесса наполнения составляли для ДП с плотностью 1100 и 1200 кг/м с учетом 5-ти факторов. По результатам предыдущего эксперимента центр нового плана был смещен ближе к области оптимума. Соответственно были несколько сдвинуты основные уровни и изменены интервалы варьирования факторов с тем, чтобы повысить вероятность получения значимых коэффициентов регрессии. В таблице 4.5 приведены уровни интервалы варьирования факторов для плана 2 " .
Указанный план реализовывался дважды, сначала для ДП, имеющую плотность 1100 кг/м , а затем для ДП с плотностью 1200 кг/м . Как и в первом случае при построении плана 2 " применяли метод «перевала», для чего использовались две дробные реплики 2 " .
В качестве математической модели приняли полином первой степени (ограничения данной функции приведены в таблице 4.5): у = b0 + biXi + Ьгх2 + Ьзх3 + Ъ щ + bsx5 (4.17) Матрица планирования типа 2 " и результаты опытов приведены в таблице 4.6. Проверка значимости каждого коэффициента регрессии по t -критерию выявила, что значимыми являются все коэффициенты при линейных эффектах.
В выбранной области проведения эксперимента влияние давления и влажности ДП наиболее сильное, причем с увеличением величины избыточного давления и с уменьшением влажности ДП степень наполнения возрастает. Остальные факторы - продолжительность выдержки под давлением, температура расплава смазки Biol и температура ДП - оказывают примерно одинаковое влияние на параметр оптимизации. С увеличением значений этих факторов степень наполнения возрастает.
Результаты многофакторного эксперимента, построение математических моделей и оптимизация технологических параметров
Подшипники скольжения из прессованной древесины, содержащие смазку Biol и наноцеллюлозу, могут использоваться в различных узлах трения, поэтому их конструкция и способ изготовления должны быть достаточно универсальными.
На рисунке 5.1а и 5.16 показана схема раскроя бруска из прессованной древесины на сегменты, на рисунке 5.1 в - готовый сегмент, на рисунке 5.2 -формообразование заготовки с нанесением клея и установкой во вспомогательную обойму, на рисунке 5.3 - прессование заготовки через конус в приемник, на рисунке 5.4 - готовый подшипник.
Низкая конкурентоспособность неметаллических подшипников скольжения по сравнению с шарико- и роликоподшипниками из высоколегированной стали объясняется тем, что неметаллические подшипники имеют в 2-3 раза меньшую твердость и, как следствие, меньшую износостойкость и низкую теплопроводность, что резко ограничивает диапазон допустимых скоростей (при больших оборотах вала возникает перегрев в зоне трения и древесина обугливается). При изготовлении подшипника в древесину, предназначенную для прессования, вводится смазка Biol с добавлением наноцеллюлозы, для повышения жесткости, твердости и износостойкости.
Конечной операцией получения прессованной древесины является прессование брусков по способу, описанному в патенте № 2340443 до плотности 1200-1250 кг/м . Прессованная древесина с наилучшими показателями прочностных свойств получается по способу, описанному в патенте № 2340443 в диапазоне плотности 1200-1250 кг/м . По этому способу возможно получение образцов и большей плотности, однако брак по трещинам увеличивается в несколько раз, и процесс становится нетехнологичным. Получение подшипника скольжения по предложенному способу происходит следующим образом.
На станке для нарезки сегментов из бруска прессованной древесины выпиливаются сначала боковые грани, а затем отрезается сегмент с радиусом будущего подшипника, как показано на рисунках 5.1, 5.2, 5.3, 5.4. На боковые грани сегментов наносятся клей и они собираются во вспомогательную обойму (рисунок 5.2). Вспомогательная обойма 1 устанавливается на конус 2 (рисунок 5.3), в свою очередь, установленный на приемнике 3. Угол конуса зависит от начальной плотности сегментов 4 и определяется по формуле:
Далее пуансоном 5 заготовка из сегментов 4 через конус 2 перепрессовывается на гидравлическом прессе в приемник 3. После горячего отвердения клея готовый подшипник (рисунок 5.4) вынимается из обоймы и при необходимости обтачивается по внутреннему диаметру с минимальным припуском 0,4 - 1,0 мм. Показатели свойств подшипника в сравнении с ранее известными приведены в таблице 5.1.
Разработанная конструкция подшипника позволяет заменить в узлах трения не только подшипники скольжения, но и подшипники качения.
Способ изготовления подшипника скольжения позволяет автоматизировать процесс в виде роторно-конвейерной линии по аналогии с процессом получения шарикоподшипников и организовать серийное производство. Время, затрачиваемое на изготовление одного подшипника по предложенному способу, примерно вдвое меньше, чем по известному способу (авт. свид. СССР № 409854).
Стендовые и производственные испытания подшипников скольжения из прессованной древесины в промежуточных опорах шнеков и питателей механизмов приготовления комбикормов.
Цель испытаний - определить износ подшипников из ДП с тем, чтобы выдать рекомендации по применению подшипников в узлах трения промежуточных опор шнеков и питателей.
Для испытаний были выбраны втулки из прессованной древесины березы, полученной по технологии, представленной на рисунках 5.1-5.4. Перед испытанием втулки пропитывались в смазке Biol, содержащей наноцеллюлозу.
Четыре комплекта опытных узлов трения с подшипниками из ДП были установлены в 2011 году на шнеках и питателях механизмов приготовления комбикормов опытного хозяйства ВНИИ комбикормовой промышленности (город Воронеж). Приготовлено 300 тонн комбикорма в 2011 г. и 200 тонн - в 2012 г.
В знаменателе приведены данные замеров по результатам полевых испытаний в 2012 году. Наблюдения за опытными узлами производились в течение двух лет. После испытаний осуществлялся визуальный осмотр опытных узлов, и выполнялись замеры трущихся поверхностей. Данные замеров до и после испытаний приведены в таблице 5.6. Визуальным осмотром установлено, что сопряженные поверхности деталей имеют блестящий вид без следов рисок и царапин, разрушений и сколов подшипников из ДП не обнаружено. Износ цапфы практически отсутствует. Анализ данных в таблице показывает, что величина износа подшипников из ДП незначительна. В целом представленные на испытания конструкции узлов трения промежуточных опор шнеков и питателей не сложнее серийных.
Анализ раздела 5.1 данной главы показывает возможность применения прессованной древесины, содержащей наноцеллюлозу и антифрикционный наполнитель в узлах трения валов механизмов приготовления комбикормов предприятия ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт комбикормовой промышленности».
Подшипники из прессованной древесины, содержащей наноцеллюлозу и антифрикционный наполнитель, при использовании их в узлах трения превосходят по эксплуатационным показателям применяемые шарикоподшипники, имея при этом более низкую себестоимость. По данным завода изготовителя, применяемые шарикоподшипники имеют себестоимость 836 руб. Экономический эффект внедрения подшипников скольжения будем считать относительно себестоимости применяемых подшипников качения.
Определение экономического эффекта от внедрения подшипников скольжения из прессованной древесины рекомендуется производить с учетом увеличения долговечности подшипников скольжения, а так же затрат на изготовление замену подшипников и возврата исходного материала (5.2).
