Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1. Современное состояние исследований по модифицированию древесины 8
1.2. Методы получения уплотненной древесины 12
1.3. Анализ производства паркетных покрытий 16
1.4. Цель и задачи исследований 26
ГЛАВА 2. Методика эксперимента
2.1. Методика проведения активного эксперимента, построения математических моделей и проведения многокритериальной оптимизации процесса прессования древесины вдоль волокон 28
2.2. Методика исследования деформирования древесины при сжатии вдоль волокон 45
2.3. Методика исследования изменения микроструктуры древесины при сжатии вдоль волокон 48
2.4. Методика определения физико-механических и эксплуатационных свойств древесины 49
ГЛАВА 3. Исследование деформирования древесины при сжатии вдоль волокон
3.1. Модель деформирования древесины при прессовании вдоль волокон 52
3.2. Изменение микроструктуры древесины при сжатии вдоль волокон 69
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования
4.1. Построение математических моделей процесса прессования древесины вдоль волокон 79
4.2. Многокритериальная оптимизация технологических факторов з
4.3. Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств щитового торцового паркета с лицевым покрытием из модифицированной древесины 100
4.4. Разработка технологического процесса получения торцового щитового паркета 104
ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность производства торцового щитового паркета с лицевым покрытием из модифицированной древесины
5.1. Вопросы качества при получении торцового щитового паркета 112
5.2. Расчет экономической эффективности производства и применения торцового щитового паркета 119
Общие выводы 125
Библиографический список
- Методы получения уплотненной древесины
- Методика исследования деформирования древесины при сжатии вдоль волокон
- Изменение микроструктуры древесины при сжатии вдоль волокон
- Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств щитового торцового паркета с лицевым покрытием из модифицированной древесины
Методы получения уплотненной древесины
В настоящее время в связи с сокращением запасов деловой древесины особую актуальность приобретает проблема использования в качестве промышленного сырья древесины быстрорастущих малоценных пород. В технологии ее переработки широко применяют различные методы уплотнения древесины с целью улучшения ее физико-механических свойств.
Модификация древесины различными способами, в том числе и способом уплотнения, осуществляется с целью повышения ее физико-механических свойств. Процесс прессования древесины основан на способности натуральной древесины деформироваться без разрушения под воздействием нагрузки и проводится в три стадии. На первой стадии древесине придаются пластичность, на второй уплотнением достигаются выравнивание ее механических свойств, а на третьей закрепляют и придают новые свойства [62,99].
Промышленное производство прессованной древесины начато в начале прошлого столетия в Западной Европе и США под названием «лигностон» (дерево-камень). Физическая сущность способа заключается в сжатии (прессовании) древесины под механическим давлением, при котором уменьшается ее объем и увеличивается ее плотность. Древесина является пористым материалом и от 20 до 80 % ее объема в зависимости от породы занимает воздух. При сжатии древесины объем, занимаемый воздухом, уменьшается и, соответственно, увеличивается удельный вес занимаемый собственно древесным веществом. В нашей стране работы по модификации ведутся с 1926 года. ЦНИЛХИ был разработан способ облагораживания древесины контактным нагревом в печах и на плитах пресса с последующим механическим уплотнением. Этот способ получил название «прессование с предварительным нафевом» и в настоящее время используется для производства ткацких челноков [105].
П.Н. Хухрянский [99] предложил механическое уплотнение древесины с предварительным распариванием. Принципиальная разница между этими способами прессования заключается в том, что при первом способе сухую древесину влажностью 8 ... 10 % нагревают до температуры в центре бруска до 90 ... 95 С, а при втором способе древесину (любой влажности), до прессования предварительно пропаривают при давлении пара не выше 1 атм. с нафевом внутренней части бруска до 85 ... 90 С. Процесс прессования ведется с использованием пресс-форм (кассет) в одноэтажных прессах или в многоэтажных прессах без пресс-форм.
Теория прессования древесины, сформулированная П. Н. Хухрянским, включает 3 положения:
1. Прочность древесины всех пород можно повысить путем ее уплотнения, т.е. за счет увеличения количества древесного вещества в единице объема, если это уплотнение не будет связано с разрушением клеток.
2. Прессование древесины следует производить поперек волокон, при -чем, все хвойные и лиственные кольцесосудистые породы следует прессовать в радиальном направлении, а лиственные рассеяннососудистые породы в радиальном и тангенциальном направлении.
3. Прессовать древесину необходимо в размягченном состоянии с последующей сушкой и охлаждением деформированной древесины для закрепления ее формы. Все существующие способы в зависимости от направления уплотнения делятся на четыре группы: одноосное, двухосное, контурное и гидростатическое или всестороннее, прессование. Разновидностями одноосного прессования являются местное прессование, прокатка и гнутье [99, 100]. Одностороннее поперечное равномерное прессование является наиболее простым и распространенным способом уплотнения древесины. С начала возникновения производства прессованной древесины и до наших дней разработано много способов одноосного поперечного прессования.
Наиболее распространенными видами прессования, нашедшими практическое применение при получении термомеханически модифицированной древесины являются одноосное равномерное поперечное прессование и контурное прессование. Предварительная пластификация древесины в зависимости от назначения производится жидким аммиаком, карбамидом [41, 105].
Радиальный способ уплотнения рассмотрен в работах [56, 72]. Интересен способ радиального прессования резиной [71]. Способ контурного прессования используется для уплотнения цилиндрических деталей продавлива-нием заготовок через конус и применяется главным образом для получения втулок [99, 104]. К недостаткам данного способа следует отнести пониженные показатели физико-механических свойств прессованной древесины и сложность фиксации заготовки после уплотнения.
Непрерывный способ получения прессованной древесины отражен в работе [35]. Однако прессованная данным способом древесина имеет низкие показатели физико-механических свойств.
В настоящее время древесину одноосного уплотнения изготавливают в плитах пресса или пресс-формах, а древесину контурного прессования путем протяжки. Однако существующие методы малопроизводительны и требуют значительных затрат ручного труда. Поэтому возник вопрос об уплотнении древесины методом проката [55], которым можно получить древесину одноосного и контурного уплотнения. С целью повышения физико-механических свойств и для обеспечения однородности структуры изделия используют способ уплотнения древесины путем вращения заготовки между двумя подвижными поверхностями [4] и эффект их обратного последействия [113]. Меньшее распространение получил способ двухстороннего уплотнения [46, 79]. При этом способе получается материал с более однородными свойствами, но эта технология значительно более трудоемка и менее производительна.
Значительно реже для уплотнения древесины используют неравномерное прессование [59], безпрессовое уплотнение [8], самопрессование [7], способ уплотнения в торец [62, 99].
Перспективным способом прессования является прессование пластифицированной древесины, а в качестве пластификатора может быть использован аммиак или карбамид. [12, 66, 108].
Торцовое прессование было предложено Малышевым в 1932 году. Этим методом прессования пользовались при изготовлении деревянных пуговиц. При торцовом прессовании древесина равномерно уплотняется вдоль волокон. Вдоль волокон древесину пластифицируют в круглых или прямоугольных пресс-формах или на плитах прессах. Древесина торцового уплотнения обладает высокой износостойкостью и прочностью [87, 109].
Преимуществом уплотнения древесины вдоль волокон по сравнению с прессованием поперек волокон является то, что для торцового прессования достаточно 10 мин выдержки после сжатия и размеры не восстанавливаются, а для обычной прессованной древесины нужно 6...8 ч сушки в пресс-форме
Методика исследования деформирования древесины при сжатии вдоль волокон
Выбор математической модели зависит от наших знаний об объекте. Эксперименты позволили выявить закономерности изменения целевых функций от входных параметров технологического процесса.
Таким образом, цель производственных экспериментов состоит в сборе исходных данных для получения точной информации о влиянии входных величин на изменение выходных величин и установление соответствующих закономерностей, что дает возможность получить математические модели, адекватно описывающие процесс прессования древесины.
Активный эксперимент позволяет выбрать параметр оптимизации и разработать оптимизационные режимы рассматриваемой технологии. В процессе проведения активного эксперимента осуществлялся контроль за входными и выходными величинами [49]. Контролировались [60] такие параметры как влажность, размеры, масса, плотность, время выдержки под давлением распрессовка, истираемость, твердость.
Контроль влажности образцов для проведения активного эксперимента в заводских условиях определялся с помощью влагомера Wagner L 690 с по 34 грешностью 0,5 %. Размеры образцов измерялись штангенциркулем (ГОСТ 166-89) с относительной погрешностью измерений 0,0125 %. Контроль за массой, осуществлялся путем взвешивания образцов на весах ВЛЗ-100 с относительной погрешностью измерения 0,05 %. Распрессовка измерялась микрометром марки MP по ГОСТ 6507-78 с относительной погрешностью 0,04 %.
Влажность образцов для испытаний в лабораторных условиях определялась весовым методом с помощью весов ВЛР-200 с относительной погрешностью измерений 0,025 %. Истираемость определялась методом весового износа на аналитических весах ВЛКТ-500 с относительной погрешностью 0,0025 %.
Время выдержки под давлением контролировалось при помощи секундомера СОПР-3 (ГОСТ 5072-79 Е), относительная погрешность измерений составляет 0,17 %. Твердость определялась с относительной погрешностью индикатора по ГОСТ 9696-75 с относительной погрешностью 0,02 %.
Используемые в исследованиях контрольно-измерительные приборы по своему назначению и по погрешностям соответствуют ГОСТ 10632-88 и позволяют с достаточной точностью определять численные значения целевых функций, количественно и качественно характеризующих технологический процесс прессования древесины вдоль волокон. Методика и оборудование в полной мере отражают реальные производственные условия процесса прессования. Ряд измерений проводился в заводских условиях, а часть в научной лаборатории НПЦ «Восмоддрев» при ВГЛТА.
Повышение качества и эффективности процесса уплотнения древесины вдоль волокон возможно на основе использования современных методов математического моделирования, с учетом специфических особенностей управления технологическим процессом.
На качество модифицированной древесины, полученной методом прессования, влияют такие технологических факторы как: исходная плотность, влажность, порода, степень прессования и т.д. [99]. Системный анализ управляемых факторов показал, что влажность, давление прессования, время выдержки под давлением являются значимыми. Они относятся к входным факторам. К нерегулируемым факторам, относятся дефекты механической обработки, скрытые пороки и исходная влажность древесины. Модифицированная древесина имеет более чем 60 показателей физико-механических, эксплуатационных и эргономических свойств. Для моделирования процесса уплотнения древесины вдоль волокон были отобраны наиболее важные факторы физико-механических свойств характеризующих качество паркетных покрытий: плотность, распрессовка, твердость, истираемость, себестоимость. Эти пять факторов будем называть выходными или целевыми функциями.
Для проверки значимости выбранных входных и выходных факторов была проведена их экспертная оценка методом ранговой корреляции [75]. Объектом управления является технологический процесс уплотнения древесины вдоль волокон.
При формировании цели и задач экспертной оценки учитывались факторы, качественно и количественно характеризующие процесс уплотнения древесины вдоль волокон, позволяющий получать материал с заданными физико-механическими свойствами при минимальной продолжительности процесса. При выборе метода получения экспертной информации и способа ее обработки был использован метод анкетирования группового экспертного оценивания.
Опрос проводился с помощью анкет. Было составлено 15 анкет, которые были разосланы ведущим специалистам в области модифицирования древесины, и получено 11 ответов. Форма анкет представлена табл. 2.1. и 2.2.
Значимость каждого критерия определяли по сумме рангов, присвоенных данному критерию всеми участниками эксперимента. Следовательно, критерий, значимость которого, по мнению специалистов, наивысшая, имеет наименьший суммарный ранг
Изменение микроструктуры древесины при сжатии вдоль волокон
Согласно выводам П.Н. Хухрянского, наиболее предпочтительный способ модифицирования древесины - прессование поперек волокон [99]. Процессы такого типа достаточно изучены [50, 87]. Однако, весьма интересные практические результаты получены при сжатии древесины вдоль волокон. Путем прессования вдоль волокон удается получить древесину с достаточно высокой плотностью древесинного вещества, хорошо зарекомендовавшую себя при изготовлении деталей узлов трения [ПО]. Древесина торцового прессования применяется также в производстве паркетных щитов и фурнитуры.
Для разработки рациональной научно обоснованной технологии модифицирования натуральной древесины путем ее прессования вдоль волокон необходимы исследования, основанные на реологических моделях, достаточно точно аппроксимирующих экспериментальные данные в широком диапазоне относительных деформаций.
В связи с этим изучалось поведение древесины березы (рассеян-нососудистая порода) и дуба (кольцесосудистая порода). Эксперименты проводились согласно методике описанной в гл. 2.2. После сжатия образцы разгружались, и определялось изменение деформации со временем. Величина влажности и условия деформирования образцов выбирались исходя из условий технологического процесса прессования древесины вдоль волокон по методу [110].
В результате испытания образцов древесины на сжатие вдоль волокон получены диаграммы, представленные на рис. 3.1. Характер кривой "дефор 53 мация-напряжение" совпадает с аналогичной кривой для сжатия поперек волокон, т.е. имеют место три фазы деформирования. В первой фазе, когда деформация є=0...4 %, наблюдается упругое деформирование, которое осуществляется до предела пластического течения. Во второй фазе при изменении є от 4 до 32 % деформации складываются из высокоэластических и вязкоте-кучих. Третья фаза, соответствующая деформациям 32...50 %, характеризуется крутым подъемом кривых "деформация-напряжение" уплотненной древесины.
Нарис. 3.1 представлены типичные кривые "деформация-напряжение" для древесины дуба (а) и березы (б) с начальной плотностью 650 кг/м и 605 кг/м соответственно.
Аппроксимационные модели построены с помощью уравнения кубической параболы на стандартной программе «Mathcad 7.0». Для древесины березы: при влажности 6 %: Y=25,933+5,843x-0,312x2+4,605 10_3x3 где Y - напряжение (СУ); Х - деформация (є). Сумма квадратов отклонений нормированных величин по среднему значению определялось по формуле R =±± -=2 3 где тр - расчетное значение напряжения; асрэ - среднее экспериментальное значение напряжения; аэ - экспериментальное значение напряжения. при влажности 9 %: Y=23,312-b5,712x-0,289x2+4,064 10 3x3 где Y - напряжение (а); х - деформация (є). R=2.6 Y=27,83+7,216х-0,415х2+6,5 61 10"3х3 где Y - напряжение (а); х - деформация (є). R=2,8; a) 20 30
Графическая интерпретация полученных регрессионных уравнений представлена на рис. 3.2 и 3.3 для древесины дуба и березы соответственно. На рис.3.4 показаны результаты изменения относительных деформаций образцов древесины исследуемых пород в результате полной мгновенной разгрузки после предварительного нагружения с постоянной скоростью изменения давления на поверхности материала. Как видно из графиков рис.3.4, более плотная древесина дуба сохраняет более высокие остаточные деформации.
Для описания напряженно-деформированного состояния древесины в рассматриваемых условиях одноосного сжатия принята обобщенная реологическая линейная модель Максвелла с двумя временами релаксации. Как известно, модель такого типа эквивалентна некоторым четырехпараметриче-ским реологическим уравнениям, в том числе, например, модели Бюргерса (объединенной модели Кельвина и Максвелла), которая использовалась ранее для изучения деформирования натуральной и пластифицированной древесины поперек волокон [12, 124].
Реологическое уравнение такого вида на качественном уровне способно описать основные типы деформаций, наблюдаемые у древесины, как комплекса природных полимеров: упругие, высокоэластичные и вязкотекучие [26].
Исследование физико-механических и эксплуатационных свойств щитового торцового паркета с лицевым покрытием из модифицированной древесины
Таким образом, можно сделать следующие выводы: В результате статистической обработки экспериментальных данных оказалось, что показатель точности вычислений среднеарифметических значений выходных параметров , находится в пределах 0,12 -4,73, обеспечивающих получение достаточно точных значений коэффициентов регрессии. В результате проверки однородности дисперсий опытов с помощью критерия Кохрена получили соотношение GPac4. GraQ , позволяющее принять гипотезу об однородности дисперсий опытов.
Проверка адекватности математических моделей показала, что условие FPac4. FTa6jL выполняется. Полученные системы математических моделей, достаточно адекватно показывают взаимосвязи между входными параметрами и целевыми функциями. Средние ошибки расчетных уравнений целевых функций относительно производственных опытов соответствуют условию kj 5 % следовательно, целевые функции являются достаточно адекватными реальному процессу прессования древесины вдоль волокон.
Полученные модели (4.23)...(4.31) позволяют по входным показателям определять параметры прессования и проводить выбор оптимальных режимов технологического процесса, обеспечивающих получение экстремальных значений целевых функций.
С целью определения оптимальных значений технологических параметров X;, обеспечивающих повышенные показатели физико-механических свойств целевых функций Yj в результате прессования древесины вдоль волокон была проведена многокритериальная оптимизация процесса [70]. Для этого определяли направление оптимизации каждой функции. Направление оптимизации исследуемых функций отклика представлено в табл. 4.8.
Поставленная задача решается методом свертки критериев рассмотренным в п. 2.1.
В результате проведения экспертной оценки были получены весовые коэффициенты показателей свойств прессованной древесины и проверено выполнение условия формулы (2.26).
Область применения прессованной вдоль волокон древесины в качестве лицевого покрытия паркетных щитов определяется его прочностными характеристиками, долговечностью, стойкостью к механическим нагрузкам.
Сумма целевых функций образует аддитивную функцию. Исходя из этого в качестве совокупного критерия Уад выбрана истираемость. Минимизируя полученную функцию, получим extrem функции с набором оптимальных значений входных параметров. Таблица 4.8
Направления оптимизации показателей свойств прессованной вдоль волокон древесины Наименование показателя Условное обо- Направление оп значение тимизации 1.Конечная плотность, кг/м Рк max 2.Распрессовка, % Л min 3. Твердость, Н/мм Нт max 4. Истираемость, % t min 5. Себестоимость, руб./1 м с min Вес критерия берется с плюсом, если частный критерий должен обращаться в максимум, а в случае его минимизации с минусом. Следовательно, имеем: Уад=0,12Yr0,19Y2H-0,27Y3-0,31Y4-0,11 Y5- min Процедуру многокритериальной оптимизации проводили с помощью ЭВМ. На входные контролируемые параметры накладывали ряд ограничений [33], которые определялись технологическими инструкциями и приняты исходя из производственного опыта. Влажность, %
В качестве характеристик оптимизационного процесса бралась плотность Yi, распрессовка Y2, твердость Y3, истираемость Y4, себестоимость Y5. Используя для решения задачи многокритериальной оптимизации полученный обобщенный критерий и накладываемые ограничения на технологические параметры методом свертки критериев, получаем оптимальные показатели входных и выходных величин. Результаты многокритериальной оптимизации представлены в табл. 4.9. На рис. 4.3. приведена блок-схема поиска минимума оптимизируемой функции. Таблица 4.9 Оптимальные значения технологических параметров прессования и показателей свойств для производства торцового щитового паркета
В блоках 3, 4 и 5 организуется цикл изменений влажности W от минимального Wmi„ до максимального Wmax с шагом изменения Wmar, давления прессования от Ргаіп до Ртах с шагом изменения Ршаг, времени выдержки под давлением от ттт ДО tmax с шагом изменения Тшаг.
В блоке 6 осуществляется расчет текущих значений параметров плотности для березы рб и дуба рд, параметров распрессовки гб и гд, твердости Нтб и Нтд, истираемости t6 и XRi себестоимости Сб и Сд, а также расчет аддитивной функции L6 и Ьд.
В блоках 7, 8, 9 организуется цикл изменений влажности W от минимального Wmin до максимального Wmax с шагом изменения Wmar, давления прессования от Pmin до Ртах с шагом изменения Ршаг, времени выдержки под давлением от ттіп до ттах с шагом изменения хшаг.
В блоке 10 осуществляется выбор минимального значения аддитивной функции для березы L6;. Блоки 11,12,13,14,15,16,17 и 18 являются соединительными. В блоке 19 определяются оптимальные значения для березы аддитивной функции L6orn- плотности рбопт, распрессовки Гбопт, твердости Нтбопт, истираемости ї от, себестоимости Сбопт В блоке 20 осуществляется выбор минимального значения для дуба аддитивной функции для дуба Ьдопт
В блоке 21 определяются оптимальные значения для дуба аддитивной функции Ьдопт, плотности Рдопт? распрессовки г)допт, твердости Нтдопт, истираемости т.допт, себестоимости Сдопт. В блоке 22 осуществляется вывод на печать оптимальных значений І боптч Рбопт? Лбопт? -И бопт? їбопт? боптэ доптэ Рдопт? Чдопт? 1 допт? Т-допт? допт Блок 23 является окончанием расчета.
Программа оптимизации процесса прессования древесины вдоль волокон для двух видов сырья составлена на алгоритмическом языке BASIC, и приведена в приложении п. 1 диссертации.
Таким образом, проведенная многокритериальная оптимизация технологического процесса позволила определить наиболее оптимальные режимы прессования древесины вдоль волокон с целью обеспечения высоких физико-механических свойств.
