Введение к работе
Актуальность темы. Деревообрабатывающая промышленность характеризуется большим числом методов термической и механической обработки древесины и древесных материалов: сушка, резание, дробление, раскалывание и др. Операция резания является основной на деревообрабатывающих предприятиях, являясь сложной и дорогостоящей частью производства древесных изделий.
Процесс резания древесины представляет собой сложный физико-механический процесс разрушения пространственной структуры материала древесины. Сложность данного процесса обусловлена изменчивостью свойств материала древесины, как растительного полимера, в механическом поле режущего инструмента, и сопровождающими явлениями: механическими, тепловыми, электрическими и химическими как сопутствующими основному механическому процессу разрушения материала древесины режущим инструментом. Основной недостаток механического разрушения состоит в том, что большая часть работы резания расходуется на стружку, которая в свою очередь становится отходом производства. Поэтому создание новых высоких технологий раскроя связано с раскрываемостью свойств вязкотекучей деформируемостью материала древесины как растительного полимера в термо-механо-акустических полях, создаваемых тонким инструментом (асимптотическое представление лезвия дереворежущих станков в деревообрабатывающем производстве).
В настоящее время в СПбЛТА разрабатывается способ повышения физико-механических свойств материала древесины низко качественных пород путём их значительного уплотнения в пьезо-термо-акустических полях (трехкратное повышение плотности и более), когда по параметрам прочности они превосходят высокоценные породы. В этой технологии материал получают при высокой энергоёмкости, поэтому производство изделий из него путём резания существующим механическим способом становится не эффективным.
Материал древесины является природным полимером, имеющим длинные цепные молекулы. Для полимеров характерны деформации: упругие, высокоэластичные и вязкотекучие, - первые две составляют основу механического резания. При температуре 240-270С в древесине происходит процесс деструкции: разрушаются её высокомолекулярные соединения: лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза. В результате процесса термодеструкции материал древесины приобретает свойство вязкотекучести. В этом состоянии становится возможным создание технологий эффективного, качественного и экологически чистого раскроя материала древесины без образования опилок и обугливания поверхностей раскроя.
Цель работы. Математическая идентификация процесса движения материала древесины в вязкотекучем состоянии и создание на его основе метода безотходной, высококачественной и экологически чистой технологии раскроя.
Объектом исследования является материал древесины и тонкий инструмент его раскроя.
Предметом исследования являются деформационные свойства вязкотекучести материала древесины как растительного полимера в высокоградиентном и скоростном поле высоких температур.
Задача исследований:
- разработать математическую модель реологии материала древесины как
растительного полимера в термомеханическом поле,
построить уравнения законов сохранения количества движения и энергии при деформируемом состоянии вязкотекучести растительного полимера,
построить уравнения движения материала древесины в вязкотекучем состоянии в окрестности тонкого инструмента и получить их решение,
разработать математическую модель движения тонкого инструмента в материале древесины при вязкотекучем состоянии,
- провести экспериментальные исследования раскроя тонким
инструментом материала древесины и их факторизацию.
Методы исследований. Теоретические и экспериментальные исследования основывались на математическом моделировании процессов, механике полимеров, механике сплошных сред, механике гибкой нити, теории пограничного слоя, статистическом анализе.
Научная новизна
- математическая модель реологии материала древесины как
растительного полимера,
математическая модель движения материала древесины при его деформируемом вязкотекучем состоянии,
уравнения движения растительного полимера в окрестности высокотемпературного тонкого инструмента,
расчёт относительной скорости движения тонкого инструмента в материале растительного полимера,
уравнение равновесия струны как тонкого инструмента при раскрое вязкотекучего материала древесины.
Обоснованность и достоверность научных положений основывается на законах механики полимеров, механики сплошных сред и удовлетворительной сходимости теории и эксперимента. Статистическая обработка экспериментальных исследований выполнялась в универсальном пакете математических программ на уровне надежности обработки информации 0,95.
Теоретическое значение. Разработана математическая модель движения материала древесины в деформируемом вязкотекучем состоянии, создаваемым высокотемпературным и скоростным тонким инструментом. Построенные уравнения движения растительного полимера в деформируемом вязкотекучем состоянии позволяют выполнить расчет скорости движения тонкого инструмента при раскрое материала древесины.
Практическая значимость. Научно обоснован и экспериментально проверен метод эффективного, экологически чистого и качественного раскроя материала древесины как основы для высоких технологий качественной деревообработки.
Научные положения, выносимые на защиту:
математическая модель реологии материала древесины как растительного полимера,
уравнения движения материала древесины в деформируемом вязкотекучем состоянии,
математическая модель движения высокотемпературного тонкого инструмента в материале древесины,
расчет формирования температурного и вязкого слоев, примыкающих к инструменту раскроя,
расчет скорости раскроя древесных изделий тонким инструментом,
расчет равновесия струны, как тонкого инструмента, -аналитическое обобщение результатов экспериментальных исследований.
Место проведения. Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им.С.М.Кирова.
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях СПб ГЛТА (2005 - 2008г.г.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 3-х печатных работах и монографии.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка используемой литературы. Общий объём работы - 130 стр. Диссертация содержит 38 рисунков и 11 таблиц, список литературных источников содержит 125 наименований.
