Содержание к диссертации
Введение
1. Композитные конструкции на основе древесины: пути развития, их исследование 9
1.1. Анализ существующих видов композитных конструкций 9
1.2. История развития технологии деревообработки конструкций 10
1.3. История, применение и пути развития клееных деревянных конструкций (КДК) 13
1.4. История, применение и пути развития армированных деревянных конструкций (АДК) 24
2. Теоретические исследования композитных балок 35
2.1. Инженерный метод расчета по предельным состояниям 35
2.1.1. О расчете изгибаемых армированных элементов 35
2.1.2. Определение геометрических характеристик сечения 38
2.1.3. Расчет по первой группе предельных состояний 40
2.1.4. Расчет по второй группе предельных состояний 42
2.1.5. Расчет количества вклеенных стержней 43
2.2. Численные исследования напряженно - деформированного состояния композитных балок на ЭВМ 48
2.2.1. Метод конечных элементов и программный комплекс «Лира 9.2» 48
2.2.2. Укрупненный алгоритм расчета композитной балки 53
2.2.3. Результаты расчеты численным методом 56
3. Методика и планирование экспериментального исследования композитных балок 83
3.1. Планирование эксперимента 83
3.2. Выбор экспериментального метода 84
3.3. Определение числа испытываемых моделей 87
3.4. Установка для испытаний 88
3.5. Измерительные приборы, их расстановка и крепление 90
4. Результаты экспериментальных исследований 95
4.1. Задачи исследования 95
4.2. Результаты экспериментального исследования и их анализ 95
5. Технология производства композитных балок и совершенствование технологических процессов 111
5.1. Общие понятия технологии и стадийности производства конструкций 111
5.2. Механическая обработка древесины 113
5.2.1. Раскрой древесных материалов 113
5.2.2. Сушка древесины 121
5.2.3. Первичная механическая обработка черновых заготовок деревообработки 126
5.2.4. Вторичная механическая деревообработка 133
5.2.5. Технологическое обеспечение взаимозаменяемости 137
5.3. Изготовление изделий из арматуры и проката 143
5.4. Вклеивание арматуры 145
5.5. Сварочные работы 148
5.6. Защита конструкции составами огне - и биозащиты 151
5.7. Совершенствование технологических процессов производства композитных балок 153
Общие выводы 160
- История развития технологии деревообработки конструкций
- Численные исследования напряженно - деформированного состояния композитных балок на ЭВМ
- Выбор экспериментального метода
- Механическая обработка древесины
Введение к работе
Актуальность темы.
Древесина обладает целым рядом ценных физико-механических и эксплуатационных свойств, которые позволяют широко использовать ее в различных отраслях деревообрабатывающей промышленности, строительстве, транспорте, энергетике и др. Одной из важнейших проблем современного общества является повышение эффективности использования древесины за счет применения конструкций и изделий с малой материалоемкостью и высокими эксплуатационными параметрами.
Одним из направлений является создание композиционных конструкций на основе древесины, металла и полимеров, что позволяет повысить качество и конкурентоспособность деревоклееных конструкций (ДКК), снизить материалоемкость и повысить экологичность производства. Решение этих задач основано на разработке новых деревоклееных конструкций и совершенствовании имеющихся технологий современного производства. Поэтому проведение исследований в этом направлении и разработка практических рекомендаций по технологии изготовления армированных деревянных конструкций (АДК) является актуальной задачей.
Цель и задачи исследований - совершенствование деревоклееных композитных конструкций и технологии их производства путем научно обоснованного обеспечения прочностных, жесткостных и эксплуатационных характеристик.
Для достижения поставленной цели определены задачи:
Провести системный анализ в контексте проблемы повышения эффективности использования древесины в композитных деревоклееных конструкциях.
Разработать технические и технологические решения несущих деревоклееных конструкций с использованием арматуры и полимерных клеев.
Провести теоретические исследования работы деревоклееных конструкций и влияния характера армирования на напряженно-деформированное состояние (НДС) с учетом анизотропии, эффектов разномодульности и нелинейного деформирования древесины.
Выполнить экспериментальные исследования и дать оценку несущей способности и деформативности композитных деревоклееных балок.
Усовершенствовать технологию производства несущих композитных балок.
Разработать рекомендации по совершенствованию технологических процессов производства ДКК, направленные на снижение материалоемкости и повышение экономической эффективности.
Научная новизна результатов исследований:
- предложена конструкция деревоклееных композитных балок с качест
венно новыми прочностными характеристиками;
- определены области практического использования разработанных АДК;
усовершенствована технология производства деревоклееных балок с элементами армирования;
экспериментально установлены количественные характеристики прочности и деформативности АДК;
проведены численные исследования работы древесины как композиционного материала с учетом работы под нагрузкой, разномодульности и нелинейного сопротивления;
выявлено влияние вариантов армирования на напряженно-деформированное состояние АДК. На защиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований АДК;
технические решения по повышению эффективности использования де-ревоклеенных композитных балок;
рекомендации по совершенствованию технологии производства деревоклееных армированных конструкций;
- результаты исследований по установлению количественной оценки
прочности и деформативности композитных балок.
Практическая ценность работы.
Результаты работы расширяют область применения ДК, повышают эффективность применения деревоклееных конструкций, в том числе армированных.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием принятых в технической механике гипотез и допущений; современными средствами научного исследования с применением сертифицированных приборов и средств анализа; надёжной методикой проведения численных экспериментов с использованием стандартных программ, приемлемой сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований использованы при разработке совместно с ГУ «Промстройпроект» альбома рабочих чертежей «Композитные балки междуэтажных перекрытий пролетом 4,5 м», в ТУ на изготовление балок, в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании, внедрены при замене междуэтажных перекрытий реконструируемого деревянного жилого дома в г. Владимир.
Апробация работы.
Основные положения работы и результаты исследований доложены на Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из дерева и пластмасс» (г. Одесса, 2008 и 2010 г); Научной конфе-
ренции «66-ая и 67-ая научные конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета» (г. Санкт - Петербург, 2009 и 2010 г); Международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство)» (г. Брест, 2009 г); V международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (г. Владимир, 2007 г.); Международная техническая конференция «ИНТЕР-СТРОЙМЕХ 2008» (г. Владимир, 2008 г); Международной научно-технической конференции «Строительная наука-2010: теория, практика, инновации северо-арктическому региону» (г. Архангельск, 20Юг).
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 18 печатных работ, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, библиографического списка включающего 135 наименований. Изложена на 172 страницах и содержит 80 рисунков, 5 таблиц, приложение.
История развития технологии деревообработки конструкций
Древесина - древнейший конструкционный материал, которым человечество стало пользоваться для изготовления орудий охоты и труда уже на самых ранних стадиях своего развития. В большинстве стран, и особенно в странах богатых лесом, развитие материальной культуры человеческого общества на всех этапах его истории было теснейшим образом связано со все расширяющимся применением древесины в строительстве, быту, технике и искусстве, с развитием и совершенствованием ее обработки и переработки. Из древесины строили жилища и хозяйственные постройки, сооружали мосты и суда, изготавливали орудия охоты и рыболовства, разнообразный хозяйственный инвентарь, мебель, посуду, транспортные средства, всевозможные емкости, музыкальные инструменты и др. Древесина применялась для изготовления разнообразных орудий труда в сельском и домашнем хозяйстве, а с появлением ремесел стала одним из первых конструктивных материалов для изготовления прядильных, ткацких, мельничных, гончарных и других станков. С развитием промышленного производства древесина применялась в качестве одного из основных конструкционных материалов во многих отраслях машиностроения, особенно транспортного. Еще в первой четверти нашего столетия древесина широко применялась в вагоностроении, судостроении, автомобиле-строении и авиастроении. Из древесины изготавливали многие детали сельскохозяйственных машин, каркасы кабин легковых и грузовых автомобилей, фюзеляж, обшивку и винты самолетов, каркасы и обшивку пассажирских и товарных вагонов, многие детали конструкций пассажирских и грузовых судов и др. Начиная со второй четверти текущего столетия, развитие производства высокопрочных легированных сталей и легких металлов (в первую очередь алюминия), а таюке успехи химии полимеров и развитие их производства привели к постепенному вытеснению этими материалами древесины из основных отраслей транспортного машиностроения, и в первую очередь из авиа- и вагоностроения, крупнотоннажного судостроения и др. Тем не менее большое значение древесины и изделий из нее в народном хозяйстве не снизилось и несомненно сохранится и в будущем.
Объясняется это многими причинами, и прежде всего рядом ценных свойств древесины как конструкционного материала, а также и тем обстоятельством, что успехи химии и химической промышленности приводят не только к созданию новых синтетических материалов, но и расширяют возможности переработки традиционных материалов, в том числе и древесины за счет лучшего ее использования в сочетании с новыми материалами, а во многих случаях и за счет изменения самих свойств древесины в нужных направлениях. В настоящее время из древесины изготавливаются изделия тысячи наименований; сюда относятся прежде всего мебель всевозможных видов и назначений, разнообразные детали зданий- и сооружений, детали и части сельскохозяйственных и многих других машин, всевозможные футляры точных приборов, радио- и телевизионных приемников, разнообразнейший хозяйственный инвентарь, чертежные и канцелярские принадлежности, спортивный инвентарь, музыкальные инструменты, игрушки и многое другое, причем производство некоторых из этих изделий выросло в стране в громадных размерах. Дело в том, что рост материального благосостояния и культуры советского народа потребовал развития в небывалых до сих пор масштабах таких производств, как, например, производство мебели для жилых и общественных зданий, спортивного инвентаря (лыжи и др.), корпусов стационарных телевизоров и радиоприемников, деревянных клавишных и других музыкальных инструментов и ряда других изделий из древесины, призванных удовлетворять повседневные потребности населения. К этому можно добавить и громадную по современным масштабам промышленность производства деревянных строительных изделий (оконные и дверные блоки, панели, паркет, встроенная мебель и др.), стоимость которых составляет примерно до 25% стоимости современных жилых зданий. В современной деревообрабатывающей промышленности производство изделий занимает вполне определенное место. Среди всех производств, занятых механической и химико-механической обработкой древесины (лесопиление, производство стружечных и волокнистых плит, фанеры, строительных деталей, стандартного деревянного домостроения, мебельного, лыжного, канцелярских принадлежностей и др.), можно различать две большие группы. Группу производств первичной обработки древесины (производство пиломатериалов, плит, фанеры, шпона) и группу производств вторичной обработки (производство всевозможных изделий из древесины, а также деталей машин, столярных деталей для строительства и ДР.) [И]. Характерным для производств первой группы является потребление в качестве сырья продукции лесозаготовительной промышленности, т. е. бревен, кряжей, дров, сучьев и выпуск в качестве продукции полуфабрикатов в виде пиломатериалов (досок, брусьев, заготовок), древесностружечных и древесноволокнистых плит, лущеного и строганного шпона, фанеры и др. Для группы производств вторичной обработки древесины характерно использование в качестве сырья продукции предприятий первичной обработки древесины, т. е. полуфабрикатов (пиломатериалов, плит и др.), и выпуск в качестве продукции готовых изделий или законченных механической обработкой деталей машин и зданий. Как правило, из этой группы разнообразных производств по вторичной переработке древесины, в свою очередь по особенностям технологического процесса, принято выделять подгруппу производств, вырабатывающих изделия из древесины, для тех- нологического процесса которых характерно применение в качестве основных способов соединения деталей склеивания и шиповых вязок и как следствие этого повышенные требования к точности механической обработки деталей. К таким производствам относятся производство мебели, футляров телевизоров и радиоприемников, музыкальных инструментов, спортивного инвентаря, канцелярских принадлежностей и др. Несмотря на большое разнообразие видов и назначения изделий из древесины, их конструкции и технологические процессы строятся на основе одних и тех же принципов. История ДКК насчитывает всего несколько десятилетий, но сама идея деревянной составной балки так же стара, как и известная система Ф. Делорма.
Стремление сохранить большие деревья для судостроения привело в XVI в. французского архитектора Делорма к созданию ребристых куполов (рис. 1.1). Ребра — полуарки необходимого сечения он изготовил из прямых досок, поставленных на ребро и сбитых гвоздями. Из таких полуарок был набран купол диаметром 36 м для покрытия церкви в Париже, которая, к сожалению, сгорела в 1802 г. Другой французский инженер К. Эми в 1819 г. усовершенствовал технологию Делорма — изготовил полуарки из гнутых досок, направление волокон которых совпадало с радиусом арки, для купола диаметром 20 м и в 1825 г. покрыл ими церковь. И в этом случае монолитность полуарок обеспечивалась гвоздями [45]. Клей вместо гвоздей при изготовлении строительных конструкций по одним источникам впервые был применен в Швейцарии в 1907 г., по другим - первенство здесь принадлежит немецкому архитектору О. Гетцеру, который в 1906 г. изготовил под большим давлением клееную двутавровую балку из тонких досок. После того как оформилась идея составной деревянной балки, остро встал вопрос о выборе клея, хотя соединение дерева клеящими веществами - искусство древнее (образцы его найдены в египетских гробницах) [45]. Сначала для этой цели употребляли казеиновый клей. Его применяли в авиастроении в годы Первой мировой войны - соединяли деревянные каркасы фюзеляжей и крыльев самолетов. Поскольку казеиновый клей застывает при комнатной температуре, его можно использовать в холодном состоянии. Он идеально совместим с древесиной, и обеспечивает получение очень долговечных и эластичных швов. Совершенствование казеинового клея повышало интерес и к клееным строительным элементам из древесины: он применялся для изготовления конструкций, эксплуатируемых в помещениях или надежно защищенных какой-либо кровлей. Производство ДКК за рубежом возникло в начале 30-х годов.
Численные исследования напряженно - деформированного состояния композитных балок на ЭВМ
Основной концепцией МКЭ является разбиение области анализа на конечное число подобластей, называемых конечными элементами. Каждый элемент определяется конечным числом точек, называемых узлами. Система узлов и элементов образует, так называемую, сетку. Для физических величин, относительно которых определяется решение, предполагается кусочно-непрерывная аппроксимация в пределах каждого элемента. Вычислительная процедура МКЭ основывается на решении системы алгебраических уравнений, минимизирующей функционал, связанный с искомой физической величиной. Можно ожидать, что дискретная аппроксимация решения будет сходиться к точному решению при увеличении числа конечных элементов. Однако этот процесс зависит еще и от характеристик элементов и точности кусочно-непрерывной функции. Критерий сходимости должен использоваться для выбора допустимых элементов. Результаты, полученные при использовании МКЭ, должны тщательно оцениваться в свете опытных (экспериментальных) данных и общеинженерных соображений. Для большей уверенности в результатах расчетов по МКЭ желательно варьировать модель, используя различное число эле-ментов или альтернативные типы элементов. Для некоторых типов элементов эта задача может быть решена самой программой. В программном комплексе (ПК) «Лира 9.0» реализованы Н- и Р-методы модификации сетки, позволяющие автоматически получать заданный уровень точности результатов. При правильном использовании МКЭ может достаточно точно предсказать поведение моделируемого объекта и, тем самым, уменьшить затраты на создание надежных конструкций. ПК «ЛИРА 9.2» включает модули для решения линейных и нелинейных, статических и динамических задач анализа механических конструкций. Система непрерывно развивается и совершенствуется с использованием самых передовых методов, соответствующих стремительному прогрессу технических средств. Система ПК «ЛИРА 9.2» включает пре- и постпроцессоры, различные модули анализа, интерфейсы с CAD-системами, трансляторы и утилиты.
Модуль ЛирВизор представляет собой работающий в графическом режиме трехмерный интерактивный геометрический моделировщик, позволяющий генерировать сетки конечных элементов, а также выполняющий функции пре- и постпроцессора при анализе МКЭ. Пользователь может создавать модель, вводить всю необходимую для анализа информацию, выполнять, собственно, анализ, используя расчетные модули ПК «ЛИРА 9,2», и, наконец, визуально оценивать результаты. Все это доступно непосредственно в среде ЛирВизор в графическом интерактивном режиме под управлением меню. Полная библиотека программы ПК «ЛИРА 9.2» включает в себя более 40 различных типов конечных элементов. Ниже приводится описание наиболее часто используемых конечных элементов двух- и трехмерных задач статики. С полным списком используемых элементов можно ознакомиться через меню "Помощь" процессора ЛирВизор. Универсальный пространственный стержневой КЭ10 Плоские и пространственные 2-х узловые одноосевые элементы, имеющие, соответственно, по 2 или 3 поступательные степени свободы в каждом узле и воспринимающие осевую деформацию. Для этих элементов возможны весовые и термические нагрузки. Задаваемые свойства - жест- кость элемента - вычисляются автоматически в зависимости от параметров формы сечения (квадрат, прямоугольник, круг, кольцо, тавр, двутавр и т.д.), задаваемой пользователем. Кроме того, сечение можно выбрать из сортамента прокатных профилей, входящего в состав пакета ПК Лира. Физически нелинейный прямоугольный КЭ 221 плоской задачи (балка-стенка) Конечный элемент предназначен для определения плоского напряженного состояния пластин, нагруженных в своей плоскости (плоскость X10Z1). Пластина рассматривается только в изотропном варианте с учетом физической нелинейности материалов. Узел конечного элемента имеет следующие степени свободы: U - горизонтальное перемещение, положительное направление которого совпадает с направлением XI; W - вертикальное перемещение (прогиб), положительное направление которого совпадает с направлением оси Z1; КЭ 221 задается только в плоскости X0Z. Задаваемые геометрические свойства - толщина элемента. Физически нелинейный треугольный КЭ 222 плоской задачи (балка-стенка) Конечный элемент предназначен для определения плоского напряженного состояния; пластин, нагруженных в своей плоскости (плоскость X10Z1). Пластина рассматривается только в изотропном варианте с учетом физической нелинейности материалов. Узел конечного элемента имеет следующие степени свободы: U - горизонтальное перемещение, положительное направление которого совпадает с направлением XI; W - вертикальное перемещение (прогиб), положительное направле- ние которого совпадает с направлением оси Z1; КЭ 221 задается только в плоскости X0Z. Задаваемые геометрические свойства - толщина элемента. Универсальный четырехугольный КЭ 44 оболочки Данный КЭ предназначен для прочностного расчета тонких пологих оболочек. В каждом из узлов КЭ имеется по шесть степеней свободы: U, V, W, UX, UY, UZ. U - горизонтальное перемещение, положительное направление кото рого совпадает с направлением XI; л V - горизонтальное перемещение, положительное направление которого совпадает с направлением Y1; W (w) - вертикальное перемещение (прогиб), положительное направление которого совпадает с направлением оси Z1; Ux - угол поворота относительно оси XI, положительное направление которого противоположно направлению вращения часовой стрелки, если смотреть с конца оси XI; Uy - угол поворота относительно оси YI, положительное направление которого противоположно направлению вращения часовой стрелки, если смотреть с конца оси YT; Uz - угол поворота относительно оси Z общей системы координат. Степени свободы U, V отвечают мембранным, a W,UX,UY -изгибным деформациям. Угол поворота UZ не входит в число узловых параметров, определяющих деформации элемента и в местной системе координат равен нулю.
Эта степень свободы появляется при стыковке элементов, не лежащих в одной плоскости, и необходима для учета пространственной работы конструкции. Исторически МКЭ появился как метод решения инженерных про- блем и обобщение метода перемещений. Дальнейшее развитие МКЭ было связано с конечно-элементной формулировкой известных вариационных принципов Лагранжа, Кастильяно, Рейснера и др. Выбор функции формы для элемента, как и выбор самого элемента, могут быть осуществлены по-разному и являются определяющим шагом в МКЭ. От этого зависит число узлов элемента и его порядок, общее число уравнений системы и успех реализации численного метода на ЭВМ. Таким образом, МКЭ является систематическим способом аппроксимации непрерывной функции дискретной моделью, представляющей собой множество значений функции в некотором числе точек области в совокупности с кусочными аппроксимациями этой функции на некотором конечном числе подобластей. В последнее время появились работы, посвященные определению напряженного состояния в элементах по известным узловым перемещениям, полученным в результате решения уравнений МКЭ в перемещениях. Помимо вопросов построения функций формы и конечно-элементной аппроксимации функций и их производных большое значение имеют приемы реализации. Реализация программ, использующих элементы построенного семейства, невозможна без автоматического построения функций формы и выполнения всех дальнейших операций на ЭВМ. В настоящее время имеется определенное число программ для решения плоской задачи теории упругости. Существующие программы, как правило, написаны для моделей с постоянным модулем упругости всей системы. Программа ПК «Лира 9.2» в полной мере отвечает поставленной задаче. ПК «Лира 9.2» - это высококачественный лицензионный продукт, точность и надежность которого постоянно контролируются технической службой фирмы-разработчика Программа конечно-элементного анализа ПК «Лира 9,2» выполняет линейный и нелинейный статический и динамический анализ, позволяет решать задачи устойчивости. В программе ПК «Лира 9.2» матрица упругих характеристик была введена в цикл по элементам. Программа позволяет вычислить матрицу упругих характеристик для каждого элемента с различным модулем упругости.
Выбор экспериментального метода
Наиболее эффективными методами исследования напряженно-деформированного состояния конструкций являются: метод тензометрии, метод фотоупругости, метод муаровых полос и метод голографической интерферометрии [40]. Последние три метода позволяют в наглядной форме получить из эксперимента, в отличие от метода тензометрии, общую картину деформирования элемента. Соответствующая обработка ее с привлечением уравнений теории упругости позволяет исследовать напряжения и деформации с необходимой детализацией в отдельных областях элемента. Метод фотоупругости основан на том, что некоторые прозрачные материалы при деформации становятся оптически анизотропными; в деформированном состоянии они приобретают свойство двойного лучепреломления (стекло, целлулоид, желатин, бакелит и др.). Такие материалы называют оптически активными. Сущность этого метода состоит в том, что нанесенный на поверхность конструкции прозрачный слой оптически чувствительного материала при нагружении повторяет деформации конструкции. В оптическом методе исследуется не сама деталь, а ее модель, изготовленная из такого материала. Модель помещается в оптическую установку, называемую полярископом, где она просвечивается пучком поляризованного света. При нагружении модели на экране появляется ее изображение, покрытое системой полос, анализ которых дает возможность изучить распределение напряжений в модели. Этот метод удачно используют для определения напряженно - деформированного состояния в ряде организаций и НИИ. Метод муаровых полос, аналогично методу фотоупругости, дает возможность получить картину распределения перемещений и деформаций сразу на всей поверхности исследуемой конструкции. Муар - в переводе с французского - волнообразный рисунок. Метод муаровых полос заключается в том, что на исследуемую деталь наносится система черно-белых линий с постоянным шагом. При нагружении вместе с точками детали перемещаются и черно-белые линии. Сетку линий фотографируют до, и после нагружения. Затем изображения совмещают. По этой картине судят о напряженном состоянии детали. Метод голографической интерферометрии. Голограмма - это зафиксированная на фотопластинке интерференционная картина, возникающая от падения на пластинку двух световых фронтов: так называемого опорного луча (неискаженного) и предметного луча, рассеянного при отображении от объекта.
Фронты обоих пучков света (опорного предметного) создаются в одной оптической системе с помощью, лазера. Луч лазера с помощью светоделительной призмы расщепляется на два луча. Один - идет на объект и, отражаясь от него, дает предметный луч. Другой с помощью зеркала направляется на голограмму в обход объекта и образует опорный луч. Совмещение голограмм объекта, полученных до и после нагружения, порождает картину полос, создаваемую интерференцией, которая характеризует различия объекта в двух состояниях. В деформированной модели она вызвана различием условий отражения предметного луча от деформированной и недеформированной моделей. Различия условий отражения создаются перемещениями точек поверхности вследствие деформирования модели. Метод тензометрии состоит в измерении малых деформаций в отдельных зонах модели и последующем переходе от них к напряжениям с использованием закона Гука. С помощью специальных приборов - тензометров определяется абсолютное удлинение отрезка AS и вычисляется средняя на длине базы и вычисляется средняя на длине базы относительная деформация А = AS/S. Проволочный датчик преобразует деформацию в изменение омического сопротивления проводника. Он представляет собой несколько петель тонкой (диаметром 0.025...0.030 мм) проволоки, наклеенной на полоску бумаги. Датчик наклеивается специальным клеем на исследуемую деталь, деформации которой передаются проволоке. Опыт показывает, что вследствие деформации меняется сопротивление проволоки. Растяжение проволоки вызывает увеличение сопротивления, а сжатие: - его уменьшение:. Это изменение сопротивления датчика регистрируется специальной аппаратурой. Для проведения экспериментальных исследований композитных балок выбран метод тензометрии, поскольку из всех вышеперечисленных методов он один дает количественную картину перемещений и напряже- ний, а не качественную. Для подтверждения теоретических исследований в данной работе важны численные значения напряжений. Качественная картина распределения напряжений получена с помощью МКЭ. Экспериментальная база Владимирского Государственного университета располагает аппаратурой для проведения тензометрических измерений. Этот метод апробирован, проведено большое количество испытаний с применением тензометрической аппаратуры. 33. Определение числа испытываемых моделей. Технико-экономические соображения, приведенные в литературе и геометрические размеры экспериментальной установки показывают, что решение поставленных выше задач исследования целесообразно выполнить на натурных балках. Таким образом, испытанию подвергается натурная конструкция, что дает возможность сохранить все физические явления, происходящие в конструкциях при нагружении. Следовательно, на основании результатов исследования можно получить необходимые знания о характере разрушения, прочности и деформативности реальных композитных балок. В результате планирования эксперимента определено оптимальное число испытываемых конструкций и требуемое число образцов для установления статических характеристик материала моделей. Для обеспечения достоверности показаний 0;95 при коэффициенте вариации 0 5 с точностью показаний до 0,05 в результате расчета было принято для испытания количество натурных конструкций равное трем для каждой из пяти серий. Маркировка балок таких типоразмеров приведена в табл.3.1. Согласно методике, изложенной в литературе определялось количество моделей балок. Для каждой серии балок было принято по 3 модели. Экспериментальные исследования конструкций пролетом 4,5 м проводились на испытательном стенде (рис.3.2).
Конструкция испытательного стенда обеспечивала устойчивость балок из плоскости вплоть до разрушения. Для изучения напряженно-деформированного состояния балок пролетом 4,5 м была принята восьмиточечная схема нафужения, которая с достаточной точностью имитирует эксплуатационную нагрузку — равномерно распределенную по пролету. Нагружение испытываемого образца происходит с помощью платформ, которые крепятся к передаточным валам. Через передаточные валы нагрузка увеличивается в 7,4 раза и передается на верхний балку хомутами с деревянными подкладками. Схема нафужения балок через передаточные валы приведена на рис.3.1. Нафузка от балки передается на опоры через металлические распределительные пластины, закрепленные в опорных участках. Эти пластины обеспечивают прочность древесины на смятие в опорных участках конструкций. Для обеспечения устойчивости композитной балки были установлены дополнительные стойки, жестко соединенные с реактивной балкой. Нагружение заготовок балок пролетом 4,5 м на первом этапе осуществлялось до 0,75 нормативной нагрузки, ступенями по 0,15 от верхнего предела. На втором этапе нагружение композитных балок осуществлялось до разрушения ступенями, равными 0,25 расчетной нагрузки. На обоих этапах исследования время нагружения на каждой ступени принято равным 3 минутам, время выдерживания под нагрузкой - 15 минутам согласно [25]. Прогибы всех исследуемых балок измерялись с помощью прогибоме-ров типа ПАО-6 с ценой деления 0,01 мм, которые фиксировали деформации в середине пролета. Осадка опор балок измерялась индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. С целью обеспечения точности показаний на поверхность балки наклеивались металлические пластинки размером 1 Ох 10 мм, толщиной 0,3 мм. Деформации волокон древесины и арматуры в середине пролета и зонах обрыва арматуры измерялись при помощи тензометров системы ГУГЕНБЕРГЕРА с ценой деления 0,001 мм и базой 20 мм.
Механическая обработка древесины
Промежуточные размеры заготовки на всех переходах технологического процесса изготовления детали связаны между собой, образуя технологические цепи . Для определения межпереходных размеров необходимо знать величину изменения размера при переходе от одной операции к другой. Разница в размерах заготовки между смежными переходами, обусловленная снятием слоя, называется операционным припуском. При этом разность размеров определяется по нормали к поверхности обработки. Если не предусмотреть операционный припуск, то невозможно практически выполнить эту технологическую операцию. Слой материала, удаляемый с заготовки в результате осуществления всех переходов технологического процесса, называется общим - суммарным припуском. Общий припуск определяется как разность заготовки и детали, измеренных по нормали от одной базы. Припуски могут быть односторонними, удаляемые с одной стороны заготовки, и двухсторонними, удаляемые обработкой двух сторон. Двухсторонние припуски могут быть симметричными, одинаковыми и разными по величине, асимметричными. Припуски могут быть определены расчетами - расчетные и действительные, определенные в реальных условиях производства. Необходимость припусков обусловливается следующими причинами современной технологии: компенсация погрешностей установки заготовки на станке и компенсации погрешностей формы заготовки, если эти погрешности выходят за пределы допуска детали или проявляются из-за изменения влажности; необходимость удаления дефектного слоя или шероховатости заготовки, образующейся на ее поверхности на предыдущей операции. Раскрой древесных материалов на заготовки является первой стадией механической обработки. Целью раскроя - получение заготовок необходимых размеров, из которых при дальнейшей обработке будут получены детали. В настоящее время при осуществлении технологической специализации раскрой выполняют на специализированных участках предприятий -изготовителей древесных материалов. При такой организации раскроя сокращаются объемы перевозок и создаются условия для более рационального использования сырья [18, 21, 23,34]. . Заготовка композитной балки представляет собой бревно круглого сечения 0260...270 мм. Процесс изготовления деревянной детали осуществляется выполнением технологических операций путем последовательного удаления с заготовки соответствующих слоев древесины механическим воздействием. В результате операций механической обработки заготовки образуются новые четыре поверхности, ориентированные попарно перпендикулярно относительно друг друга, сечение прямоугольное.
Требуемое относительное расположение вновь образуемых поверхностей достигается благодаря определенному положению заготовки относительно режущего инструмента, формирующего эти поверхности. Процесс определенного ориентирования положения заготовки при формировании новых поверхностей называется базированием. Базирование заготовок достигается определенным расположением их на предназначенных для этой цели поверхностях станка. Для распиловки бревен вразвал используется современная обычная вертикальная двухэтажная одношатунная лесопильная рама для марки РД-75-7. Общий вид лесопильной рамы представлен на рис.5.1. Рамка с пилами движется в вертикальной плоскости. В нижнем этаже рамы располагаются части привода, а в верхнем - рабочие части станка (включая посылочные вальцы), необходимые для распиловки бревна. Рама стационарная и установлена на мощном фундаменте. Данная рама по типу относится к тяжелым, отличающимся большой мощностью привода, значительным весом и высокой производительностью. По частоте хода пильной рамки относится к быстроходным. Лесопильная рама состоит из станины, механизма резания, механизма подачи, органов управления, смазочных приборов и оградительных устройств. Механизм резания состоит из коленчатого вала, шатуна, пильной рамки, в которую устанавливаются пилы в соответствии с рассчитан- ными поставами. Сама пильная рамка состоит из вертикальных стоек, выполненных в виде пустотелых стальных труб и прочных стальных поперечин. Каждая рамка имеет четыре ползуна, которые делаются из текстолита, Ползуны насажены на шарниры, чтобы пильная рамка могла изменять наклон даже во время движения. На станине установлен механизм, обеспечивающий подачу бревна. Рама имеет, ворота, открывающиеся независимо друг от друга - верхние и нижние. Направляющее устройство для бревен, выполненное в виде двух стальных пластин, служит для правильного базирования бревен во время распиловки; пластины входят в пропилы по бокам бруса. Основными особенностями данной рамы, по сравнению с ранее применявшимися, являются: - специализация рам по способу распиловки; - дистанционное механизированное управление всеми необходимыми операциями (за исключением тормоза) с пульта управления, размещаемого на тележке, либо в другом месте; - частично автоматизированное управление рамой, - полностью автоматизированный подъем переднего и заднего верхних вальцов и наклон пил. Другими особенностями рассматриваемой рамы являются увеличенная мощность, новый тип посылочного механизма, более надежно обеспечивающего увеличенные посылки, надежная система устройств по технике безопасности. Рама РД-75-7 отличается следующими особенностями: отсутствием механизма автоматического подъема верхних вальцов рамы, усиленной мощностью привода механизма резания (100 кет вместо 75 кет), применением укороченных пильной рамки и пил, что обеспечивает лучшую устойчивость пил и позволяет снизить толщину их на 0,2 мм. Просветом называют расстояние между вертикальными стойками пильной рамки. Просвет определяет наибольшую толщину бревна, которое может быть распилено, и до известной степени обусловливает другие показатели рамы: возможное число оборотов, вес движущихся частей и всей рамы и т. д. Просвет лесопильной рамы выбирают по характерной спецификации бревен, причем ориентируются на толстые бревна, имеющие достаточный удельный вес в спецификации.
Самые толстые, но единичные бревна в расчет не принимают, так как излишние размеры просвета вызывают снижение производительности рамы. Просвет рамы определяется по равенству: d - наибольший диаметр бревна в вершине, см; с - наибольший сбег у наиболее длинного и толстого бревна, см; а - запасное расстояние между вертикальной стойкой и комлем с одной стороны, см; запас берется для учета овальности бревна, сучьев, наростов, закомелистости, кривизны и составляет примерно 5 см. Наибольший диаметр бревна из формулы 5.1., которое может быть пропущено через раму данного просвета: У современных рам число оборотов вала составляет 250-380 в минуту. Число оборотов вала рамы и высота хода пильной рамки определяют скорость резания, а следовательно, скорость подачи и производительность станка. Хотя с увеличением числа оборотов вала производительность рамы возрастает, большое увеличение числа оборотов становится невозможным вследствие возникновения весьма больших сил инерции, вертикальных и горизонтальных. При этом силы инерции увеличиваются пропорционально квадрату числа оборотов. Пильная рамка за один оборот коленчатого вала делает два хода -подъем и опускание - на величину двух радиусов кривошипа, называемую высотой хода. Высота хода пильной рамки Н является второй величиной, определяющей скорость резания в раме, а следовательно, скорость подачи и производительность. У современных рам высота хода равна 450-700 мм. Увеличение высоты хода рамы вызывает почти пропорциональное увеличение сил инерции, однако относительное увеличение их по сравнению с увеличением этих сил при повышении числа оборотов для достижения одинаковой производительности будет несравненно меньше. Поэтому увеличение высоты хода рамки для увеличения производительности будет иметь значительное преимущество по сравнению с увеличением числа оборотов и в настоящее время широко практикуется машиностроительными заводами при конструировании рам и непосредственно лесопильными заводами при реконструкции рам. В последнем случае высота хода пильной рамки увеличивается без увеличения сил инерции, для чего несколько снижается число оборотов вала рамы. В конечном результате увеличивается производительность. Так, в рамах с ходом 500 мм и длиной шатуна 2000 мм при увеличении хода на 20% для сохранения прежнего значения наибольшей силы инерции следует уменьшить число оборотов на 9,6%, что увеличит скорость резания и производительность на 8,5%.
