Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 11
1.1. О традиционном групповом способе распиловки бревен на пиломатериалы 11
1.2. Потери пиломатериалов из-за
коробления и растрескивания при сушке 15
1.3. Анизотропия усушки - один из главных факторов, определяющих качество сушки пиломатериалов 24
1.4. Характеристики упругости древесины, определяющие напряженно-деформированное состояние древесины как ортотропного тела 29
1.5. Сопротивляемость пиломатериалов предотвращению коробления 37
1.6. Выводы 41
1.7. Задачи исследований 44
2. Теоретические исследования напряжений в древесине как цилиндрически анизотропном ортотропном теле 46
2.1. О напряжениях и их влиянии на качество пиломатериалов 46
2.2. Упругая задача по определению напряжений усушки в круглой пластинке с цилиндрической анизотропией 49
2.3. Соотношение напряжений из-за анизотропии усушки и от градиента гигроскопической влажности в прямоугольных пластинках 53
2.4. Приближенное решение задачи усушки для пластинки с сердцевиной в центре 57
2.5. Приближенное решение задачи усушки в прямоугольной пластинке с сердцевиной в центре при параболическом распределении гигроскопической влажности 60
2.6 .Выводы
3. Плоское напряженное состояние древесины как цилиндрически анизотропного ортотропного тела ... 65
3.1. Основные уравнения. Гипотезы 65
3.2. Дифференциальное уравнение в частных производных для цилиндрически анизотропного ортотропного тела в декартовых координатах 68
3.3. Решение в полиномах плоской задачи теории упругости в декартовых координатах для цилиндрически анизотропной ортотропной полосы 71
3.4. Взаимосвязь между постоянными интегрирования дифференциальных уравнений в декартовых координатах 75
3.5. Уравнения для напряжений 82
3.6. О соотношении постоянных упругости древесины как цилиндрически анизотропного тела 84
3.7. Выводы 88
4. Анизотропия усушки древесины поперек волокон
4.1. Деформация усушки древесины поперек волокон 89
4.2. Неодинаковость усушки пластей доски 94
4.3. Сравнение усушки среднего участка наружной и внутренней пластей доски 103
4.4. Взаимосвязь постоянных упругости и коэффициентов усушки древесины 108
4.5. Связь модуля упругости древесины с коэффициентом усушки по ширине пласти доски 113
4.6. Напряжения в сжатой по концам цилиндрически анизотропной полосе 115
4.7. Выводы 119
5. Сопротивляемость пиломатериалов поперечного коробления при сушке 120
5.1. Одноосная задача по определению силы коробления 120
5.2. Среднее значение коэффициента усушки по ширине пласти доски 123
5.3. Улучшение качества сушки пиломатериалов, полученных при распиловке бревен по схемам вразвал и с брусовкой
5.3.1. Определение размерных параметров пиломатериалов с наибольшей сопротивляемостью предотвращению коробления 125
5.3.2. Определение величины поперечного коробления пиломатериалов 131
5.3.3. Диаграммы безопасных размеров пиломатериалов 140
5.3.4. Примеры использования диаграммы при составлении плана раскроя бревен 144
5.4. Методика и оборудование экспериментальных исследований сопротивляемости пиломатериалов предотвращению поперечного коробления при сушке 148
5.4.1. Общие положения методики исследований 148
5.4.2. Обоснование размера образца вдоль волокон 149
5.4.3. Экспериментальная сушильная камера 151
5.4.4. Приборы и устройства для измерения силы коробления образцов древесины при сушке 154
5.4.5. Исследование влияния угла наклона годичных слоев на величину силы коробления 158
5.5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований сопротивляемости пиломатериалов предотвращению поперечного коробления 161
5.6. Дополнительные напряжения в пиломатериалах при предотвращении поперечного коробления при сушке с учетом анизотропии древесины 163
5.7. Выводы 176
6. Изменение постоянных упругости древесины при повороте осей координат 178
6.1. Постоянные упругости древесины как цилиндрически анизотропного тела 178
6.2. Изменение модуля сдвига древесины в плоскости ХУ при повороте осей вокруг оси Z 187
6.3. Изменение коэффициента Пуассона juxV при повороте системы координатных осей вокруг оси Z 190
6.4. Изменение коэффициента усушки и упругих постоянных при повороте системы координат вокруг оси Y 194
6.5. Изменение коэффициента усушки и постоянных упругости древесины при повороте осей координат вокруг оси X 201
6.6. Упругие постоянные древесины, удовлетворяющие соотношению BJl + 5a2j/ 210
6.7. Упругие постоянные некоторых намоточных стеклопластиков 216
6.8. Выводы 218
7. Упругая деформативносгь древесины в плоскости перпендикулярной волокнам 219
7.1. Анизотропия упругой деформативности древесины поперек волокон 219
7.2. Сравнение деформативности пиломатериалов по ширине
пласти 225
7.3. Практические рекомендации для использования фактора деформативности при составлении схем раскроя бревен на пиломатериалы 229
7.4. Оценка основных параметров качества сушки по критерию деформативности 232
7.5. Диаграмма деформативности некоторых пород древесины без промежуточной экстремальной точки 237
7.6. Об анизотропии неупругих деформаций 239
7.7. Выводы 240
8. Продольное коробление пиломатериалов при сушке. сопротивляемость предотвращению продольного коробления 241
8.1. Причины продольного коробления 241
8.2. Сопротивляемость пиломатериалов предотвращению продольного коробления 249
8.2.1. Теоретический анализ напряжений усушки в косослойных радиальных пиломатериалах 249
8.2.2. Сопротивляемость досок предотвращению кромочного коробления 252
8.2.3. Определение величины кромочного коробления 254
8.2.4. Определение силы прижима для предотвращения кромочного коробления 258
8.3. Определение оптимальной длины косослойных
пиломатериалов 261
8.4. Выводы 265
Основные выводы и рекомендации 266
Библиографический список
- Характеристики упругости древесины, определяющие напряженно-деформированное состояние древесины как ортотропного тела
- Соотношение напряжений из-за анизотропии усушки и от градиента гигроскопической влажности в прямоугольных пластинках
- Взаимосвязь между постоянными интегрирования дифференциальных уравнений в декартовых координатах
- Улучшение качества сушки пиломатериалов, полученных при распиловке бревен по схемам вразвал и с брусовкой
Введение к работе
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.
Характеристики упругости древесины, определяющие напряженно-деформированное состояние древесины как ортотропного тела
Основным фактором конкурентной способности пиломатериалов на мировом рынке является их качество. Поэтому весьма важным является выбор наиболее рационального способа раскроя бревен в зависимости от породы, размеров и качества сырья, назначения пиломатериалов. Пиломатериалы ответственного назначения (судостроение, авто- и вагоностроение, производство мебели и строительных изделий, производство деревянных клееных конструкций) перед использованием будут обязательно проходить технологическую операцию сушки в сушильных камерах. Как показывает практика, часть материала в результате сушки переходит в более низкие сорта, часть переходит в технологический брак и для ответственных изделий не применяется.
Логичным было бы считать объемный выход таких пиломатериалов не на сортплощадке лесопильного цеха, а в сушильно-раскройном цехе. Получение максимального объемного выхода пиломатериалов при распиловке без учета особенности древесины приобретать различное качество при сушке может быть сведено к минимуму из-за больших потерь при высушивании.
Необходимо выбирать такие схемы раскроя бревен, которые обеспечивали бы увеличение выхода качественных пиломатериалов при распиловке бревен и сокращение потерь от брака при сушке [22].
От того, какие технологии используются, зависит и объем, и качество пиломатериалов, количество отходов.
Лесопиление призвано обеспечивать рациональное и комплексное использование природных ресурсов. Перед отечественным лесопилением одновременно с обеспечением внутрироссийских и экспортных потребностей в спецификационных пиломатериалах стоит задача освоения ресурсосберегающих технологий, реализующих индивидуально-дифференцированный подход к раскрою каждого сортимента.
Одновременно с этим необходимо совершенствовать существующие технологии и разрабатывать новые, более эффективные. Основой для этого послужит более глубокое изучение особенностей строения древесины с целью использования результатов для интенсификации режимов обработки при условии сохранения качества материала.
При составлении схемы раскроя бревен оптимальным считали (во многих случаях считают и сейчас) такой постав, который обеспечивает получение заданной размерной спецификации пиломатер налов при наибольшем объемном выходе. В зависимости от того, на каком оборудовании осуществляют распиловку, получают разный полезный выход. По данным [55] он составляет: на лесопильных рамах - 55- 60%; на многопильных круглопильных станках - 50-М50%; на фрезернобрусующих круглопильных линиях - 65- 75%; на ленточно-пильных станках - 6СМ-70%.
Разработку системы максимальных поставов осуществил в 1932 г. Х.Л. Фельдман. Он обосновал наибольшие площади поперечных сечений обрезных досок, которые можно вписать в круг вершинного торца бревна. Наибольшая площадь прямоугольников, вписанных в сегменты будет 0,ld-0,421d. Все доски в поставе — 0,707d имеют полную 0,42W 0.42Ы длину, равную длине бревна. В зоне сбега максимальный выход можно получить только при укорочении боковых досок. При составлении схемы максимального постава сначала находят максимум выхода для основного постава, а затем для дополнительного. Это делается с целью упрощения расчетов, хотя результат получается недостаточно точный. Несмотря на недостатки теории максимальных поставов, впервые появилась возможность сравнения различных схем распиловки. Проф. Д.Ф. Шапиро предложил формулу для определения критического расстояния между симметричными пропилами, которые делят бревно при первом проходе на пифагорическую и сбеговую зоны: Е.д = jl,5d2-05D2 , (1.1) и составил номограмму Фельдмана-Шапиро для расчета максимальных поставов. Проф. А.Н. Песоцкий [84] уточнил и дополнил теорию раскроя, выявил влияние эллиптичности и кривизны бревен, смещения центра бревна относительно постава, сортности, размеров бревен и других факторов на объемный выход пиломатериалов. Проф. Власов Г.Д. предложил метод предварительной проверки возможности выполнения заданной размерной спецификации без учета качества пиломатериалов. Графики максимальных поставов на каждый диаметр бревна с учетом расхода древесины на пропилы и припуски на усушку разработал Г.Г. Титков [55].
Проф. Н.А. Батиным [5] были разработаны графики составления (проектирования) поставов, дающих максимальный объемный выход. Они удобны для определения толщины досок при их разном количестве в поставе с учетом сбега. Графики и таблицы, предложенные Н.А. Батиным, позволяют подбирать оптимальные неполные поставь] для различного количества пар досок в зависимости от спецификационных требований.
Значительный вклад в теорию раскроя с учетом качественных зон бревен внесли проф. П.П. Аксенов, В.Ф. Ветшева и др. Были предложены новые методы раскроя сырья с учетом его качества и выдвинуто предположение об экономической целесообразности сортировки сырья на качественные группы. Распиловка параллельно сбегу способствует более рациональному использованию заболонной зоны, что благоприятно сказывается на качестве сушки пиломатериалов. В центральной части постава [55] рекомендуется размещать толстые доски, по краям — тонкие.
Получить качественные рациональные пиломатериалы безупречного качества возможно только при использовании сырья такого же качества диаметром 38-ИО см и выше. Только в этом случае имеет смысл использовать все бревно на радиальные пиломатериалы в ущерб для производительности [49].
Раскрой бревен больших диаметров на 2 бруса рационален только при хорошем качестве сырья [55]. Это позволяет уменьшить длину годичных слоев в досках выпиливаемых из центральной части и за счет этого уменьшить поперечное коробление. Снижение покоробленности позволяет сэкономить древесину за счет уменьшения припусков на механическую обработку.
В последние 12-15 лет изменилась номенклатура основного технологического оборудования, как отечественного, так и зарубежного [125]. Это оборудование может реализовать индивидуальный раскрой сырья на пиломатериалы с использованием ЭВМ. Все процессы в лесопильном цехе, подготовка пиловочного сырья к обработке и процессов окончательной обработки пиломатериалов, оперативное планирование и управление процессами лесопиления на современном производстве осуществляется с помощью компьютеров [55].
Соотношение напряжений из-за анизотропии усушки и от градиента гигроскопической влажности в прямоугольных пластинках
Экспериментальные исследования такого материала, как древесина, показывают большое различие между характеристиками упругости, прочности, коэффициентами усушки в различных структурных направлениях. Древесина является сильно анизотропным материалом. Как анизотропные можно рассматривать материалы на основе древесины, у которых искусственно создано определенное различие в свойствах для разных направлений, - фанера, древесно-слоистые пластики, клееные деревянные детали.
При раскрое бревен на пиломатериалы получают доски с различно выраженной анизотропией в зависимости от угла наклона годичных колец к пласти - радиальные, полурадиальные и тангенциальные.
В практике сушки древесины, например, известно, что при камерной сушке значительно снижается качество тангенциальных пиломатериалов. Хорошее качество сохраняют радиальные и полурадиальные пиломатериалы. Это является практическим подтверждением влияния анизотропии свойств древесины на ее напряженное состояние в процессах дальнейшей обработки.Одним из основных дефектов сушки, например, являются торцово-пластевые и пластевые трещины, коробление, значительные остаточные напряжения [1]. Нереализованное поперечное коробление доски при сушке в зажатом состоянии влияет на величину напряжений усушки, и, в результате, возрастает опасность появления пластевых трещин. Материалы исследований автора [105] доказывают, что сила, необходимая для предотвращения поперечного коробления, сильно зависит от того, в каком месте расположена доска в поставе при составлении схемы раскроя бревна. Следует отметить, что напряжения усушки возникнут в древесине как анизотропном теле независимо от того, равномерно или неравномерно будет снижаться по сечению гигроскопическая влажность. Второе будет в той или иной степени усугублять напряженное состояние.
Причем, именно это второе является результатом воздействия режима сушки. В зависимости от его жесткости внутренние напряжения в пиломатериалах за счет градиента гигроскопической влажности по толщине могут быть безопасными или, суммируясь с напряжениями, возникшими за счет анизотропии усушки древесины, превысить предельные значения, и это приведет к появлению трещин и изменению формы сечения.
Возникающие в пиломатериалах напряжения усушки являются главным препятствием для ужесточения режимов сушки. Особенно это проявляется в отношении таких трудносохнущих пород, как, например, лиственница. Сильная анизотропия усушки приводит к тому, что необходимо поддерживать минимальный градиент влажности по толщине доски на всем протяжении первого периода сушки. Это предъявляет повышенные требования к техническому состоянию и совершенству конструкции сушильной камеры. Часто в практике существующие сушильные камеры из-за их негерметичности не обеспечивают поддержание режимных параметров, и неизбежным результатом тогда является низкое качество сушки.
При механической обработке покоробленных сухих досок может произойти раскалывание их по пласти от воздействия подающих вальцов в станках.
Известно, что для снижения остаточных напряжений усушки в пиломатериалах можно применить прокатку их под нагрузкой специальными валками [112]. А для выбора наиболее эффективной схемы прокатки - по пласти либо по кромке - необходимо знать закономерности распределения напряжений в таких случаях по сечению доски.
Получение более полной информации об анизотропии древесины позволит проанализировать существующие стандартные методики для определения постоянных упругости и коэффициентов усушки.
Поэтому необходима теоретическая база, чтобы можно было определить параметры пиломатериалов, обеспечивающие наименьшее влияние анизотропии древесины на величину появляющихся внутренних напряжений при сушке, механических и влаготермических воздействиях. Нужно иметь математическое обеспечение для изучения этих параметров. Это позволит составить такую схему раскроя бревна, при воплощении которой качество полученных пиломатериалов при последующей обработке не снизится из-за анизотропии древесины.
При решении задачи о распределении напряжений в древесине при механических и влаготермических воздействиях нужно исходить из уравнений теории упругости. Эти уравнения должны учитывать различие упругих свойств древесины в различных структурных направлениях и содержать, в соответствии с этим, более двух упругих постоянных. При небольших нагрузках деформирование можно считать упругим, поэтому для таких задач вполне правомерно использование методов теории упругости. С увеличением нагрузки древесина ведет себя как вязко-упругое тело, которому свойственны ползучесть и релаксация напряжений. Задача исследования напряжений и деформаций усложняется, но основой для ее решения будут зависимости, полученные для стадии упругого деформирования.
Взаимосвязь между постоянными интегрирования дифференциальных уравнений в декартовых координатах
Формула (4.4) справедлива для случая отсутствия угловых деформаций усушки. Это имеет место при сушке круглого диска (рис.2.1), а также при сушке пиломатериалов прямоугольных сечений с предотвращением поперечного коробления.
Свободная сушка без механического ограничения деформаций применяется при стандартных испытаниях древесины с целью определения ее физико-механических характеристик. Поэтому анализ коэффициента усушки необходимо выполнять с учетом появляющихся угловых деформаций.
Рассматривая перемещения других точек элемент FBAD, можно видеть, что углы у него в общем случае прямыми не остаются. Появляются сдвиговые деформации, которые повлияют на величину усушки этого элемента в направлении оси X.
Рассмотрим деформацию усушки элемента по стороне AD (рис.4.1,6). AN = (AN)CoSe = aKrSin0Cose ; DP = {DP)Sin0 = aKtCoseSine; TP = N A-DP = a(Kr - Kt )SineCos9; tgY = rp/a = (Kr - K, )Sin eCos в, или при малых значениях угла у: Кп, = {Кг - К, )Sin6Cose = Kr K SinW. (4.5) Изменение углов элемента при усушке приводит к изменению формы сечения прямоугольного сортимента (короблению), как показано на рис. 4.2. С учетом линейных и угловых деформаций усушки формула для коэффициента усушки в направлении оси X примет вид: Кх = -К,Cos2в-K,Sin2e + r Sin26. (4.6) При решении задач усушки, условно считая усушечную деформацию положительной, последнее можно записать в окончательном виде (4.2). Полученная формула в точности согласуется с формулой для деформации в плоской задаче теории деформированного состояния тела и характеризует деформацию в каждой точке, включая и деформацию усушки или температурную деформацию.
Вопрос о том, как соотносятся друг с другом деформации усушки пластей доски, представляет значительный практический интерес [16]. Если усушка пластей не одинакова, тогда независимо от режима сушки такие доски после высушивания будут иметь поперечное коробление, часто - в комплексе с пластевыми трещинами. Пластевые трещины появятся в досках, высушиваемых в зажатом состоянии. Это доски, расположенные в нижних рядах штабеля при сушке без прижимов, либо доски во всех рядах при сушке с прижимом.
Если удастся высушить доски без пластевых трещин, то они будут иметь остаточные напряжения, которые со временем проявят себя в виде искаженной формы сечения заготовок и готовых деталей, трещин и по короблен ности.
На основе полученных формул можно проанализировать неодинаковость усушки доски в направлениях под различными углами к осям анизотропии г и t. Наибольший интерес представляет усушка в направлениях осей X и Y, параллельных пластям и кромкам доски соответственно.
Для досок тангенциальной и радиальной распиловки разность усушки пластей минимальная. Наибольших значений эта разность достигает в досках полурадиальной распиловки. На этом основании такие доски должны иметь заметные дефекты сушки (трещины, коробление, остаточные напряжения).
Однако, практика сушки пиломатериалов свидетельствует об обратном. Доски полурадиальной и радиальной распиловки имеют более высокое качество сушки по сравнению с другими [6, 124, 105, 59, 54]. Следовательно, существуют и другие параметры 7 кроме коэффициента усушки, которые в конечном итоге определяют достаточно высокое качество сушки при прочих равных условиях.
Одним из наиболее вероятных параметров по данным источников [6], [112], [43], [45], [150] является деформативность древесины в направлении поперек волокон. Повышенная деформативносгь отмечается как раз в тех направлениях, которые составляют некоторый угол с радиальным и тангенциальным.
Независимо от толщины доски разность относительной усушки пластей уменьшается с удалением ее на схеме распиловки от геометрического центра сечения бревна. Наибольшая разность свойственна пиломатериалам, выпиленным из центральной зоны сечения. С увеличением толщины доски разность усушечных деформаций пластей возрастает. Следует ожидать увеличения сопротивляемости предотвращению поперечного коробления досок и остаточных напряжений в них при сушке. Что и подтверждается результатами экспериментальных исследований [15], [17], [26] и др.
Аналогичные графики могут быть построены для всех других пород древесины. Характер закономерностей изменения разности относительной усушки пластей досок будет таким, как для сосновой древесины (рис.4.5).
Анализируя графики на рис.4.5,а, можно отметить, что для случаев 1, 3, 4, 5 и 6 разность коэффициентов усушки наружной и внутренней пластей принимает отрицательное значение. Это свидетельствует о том, что в пределах некоторой средней части доски усушка наружной пласти меньше, чем внутренней. Такой вывод получен впервые, что позволит уточнить выводы, касающиеся поперечного коробления и напряжений, появляющихся в пиломатериалах при их высушивании. При соблюдении режимов сушки можно получить достаточно высокое качество у тангенциальных пиломатериалов, поперечное коробление которых, а следовательно, и дополнительные внутренние напряжения при сушке в зажатом состоянии будут минимальными.
Далее приведем доказательство более высокой усушки внутренней пласти по сравнению с наружной дополнительно к тому, что доказано выше (рис.4.5,а) для относительной усушки наружной и внутренней пластей (т.е. для коэффициентов усушки).
Улучшение качества сушки пиломатериалов, полученных при распиловке бревен по схемам вразвал и с брусовкой
На пластину тензометрического силоизмерительного устройства наклеены 2 датчика - по одному с обеих сторон. Это сделано для компенсации возможного при экспериментах изгиба пластинок.
Угол наклона годичных слоев к пласти доски зависит от ее координаты Ъ2. Поэтому нами экспериментально была исследована зависимость силы коробления досок от координаты их наружной пласти Ъ2. Опытный материал. Для проведения экспериментов использовалась древесина сосны. Образцы цельные - были получены при распиловке бревна диаметром 36 см на лесопильной раме (рис. 5.21). Начальная влажность WH=30+ 32% ядровой и 100,45% заболонной древесины. Размеры образцов SxBxL=25x 150x100 мм. Исследовалось поперечное коробление образцов при сушке и сила прижима для полного его устранения.
Исследования образцов из заболонной древесины проводились при ее начальной влажности 100,45%. Координата положения наружной пласти таких образцов Ь?=143 мм. Количество этих образцов п=14.
Вторая партия образцов с содержанием заболони была выдержана в течение 4 месяцев в шкафу при температуре t=20C и ср=70% до достижения ею средней влажности 30 - 32%.
На рис. 5.23 опытные результаты представлены в виде графиков зависимостей величины поперечного коробления и силы, необходимой для его предотвращения при сушке, от угла наклона годичных слоев, представленного здесь координатой наружной пласти образцов.
Построенные по опытным данным кривые повторяют закономерность изменения разности коэффициентов усушки пластей досок, приведенную на этом же графике по результатам теоретического расчета. Этим подтверждается тот факт, что первопричиной коробления пиломатериалов является неодинаковая усушка их пластей. И чем больше по величине разность усушки пластей, тем большее усилие потребуется для предотвращения появляющегося при сушке коробления.
Экспериментальные кривые для величины поперечного коробления и силы, необходимой для его предотвращения Дополнительные напряжения в пиломатериалах при предотвращении поперечного коробления при сушке с учетом анизотропии древесины
При предотвращении поперечного коробления пиломатериалов в процессе сушки в досках появляются дополнительные напряжения, которые зависят, в первую очередь, от анизотропии усушки, упругих и реологических характеристик древесины.
В результате сушки пиломатериалов с прижимом и в свободном состоянии в одинаковых режимных условиях остаточные напряжения в досках будут различными. Следовательно, и качество материала, оцениваемое по этому критерию, будет разным.
Для уменьшения остаточных напряжений необходимо использовать фактор анизотропии древесины и, таким образом, уменьшить дополнительные напряжения в досках при сушке с ограничением поперечного коробления. Из-за появления дополнительных напряжений возрастает опасность появления пластевых трещин.
При сушке с прижимом уменьшаются потери пиломатериалов из-за коробления. Однако, одновременно с этим, возрастает опасность снижения сортности высушенных пиломатериалов из-за растрескивания и значительных остаточных напряжений.
Поскольку первопричиной появления дополнительных напряжений в досках при предотвращении коробления является анизотропия свойств древесины в различных структурных направлениях, существует реальная возможность использовать этот фактор для повышения качества сушки.
При механической обработке пиломатериалов, высушенных без прижима, также появляются дополнительные напряжения. Когда высушенную покоробленную доску пропускают через строгальный станок, в ней возникают дополнительные напряжения от воздействия прижимных подающих вальцов, что часто приводит к раскалыванию доски.
Схема нагружения расчетного элемента доски при сушке с прижимом и при механической обработке одинакова (рис. 5.24).
Для определения величины силы коробления пиломатериалов при сушке нами выше была решена одноосная задача, в которой не учитывалась криволинейная анизотропия древесины. Учесть свойства анизотропии древесины в направлении поперек волокон можно при решении плоской задачи. Задача для плоского напряженного состояния в древесине как цилиндрически анизотропном и ортотропном теле решена нами выше (гл. 3) в общем виде. Применим это решение для схемы нагружения в задаче с предотвращением поперечного коробления (рис. 5.24).
В случае изотропного тела: ттах=0,5625Р. На рис. 5.26 приведено сравнение максимальных напряжений ах при изгибе одинаковой силой изотропного и цилиндрически анизотропного тел, а также при предотвращении поперечного коробления с учетом экспериментальных значений силы коробления.
В зависимости от координаты наружной пласти доски максимальное напряжение ох при изгибе ее в плоскости поперек волокон оказывается разным.
При равных условиях нагружения единственной причиной этому является анизотропия свойств древесины. Во всех случаях напряжение ах на наружной пласти больше, чем в подобной задаче для изотропного тела. Это превышение составляет 189,6% для центральных досок (табл.5.4), с увеличением координаты наружной пласти превышение снижается. При Ъ2=120 мм оно составляет 107,8% (рис. 5.27). Это соотношение найдено при условии нагружения досок одинаковой силой. Таким образом, установлено количественное соотношение напряжений в анизотропном и изотропном телах.
В реальных условиях, как теоретически и экспериментально доказано выше, сопротивляемость предотвращению поперечного коробления снижается с увеличением координаты наружной пласти. С учетом этого (см. рис. 5.25) дополнительное напряжение при предотвращении поперечного коробления снижается по более крутой кривой (рис. 5.27). Для досок с координатами наружной пласти 25 и 120 мм дополнительные напряжения различаются в 3,81 раза.
