Введение к работе
Актуальпость темы. На деревоперерабатывающих предприятиях операция резания при производстве древесных изделий является одной из основных, достаточно сложной и дорогостоящей. Её сложность заключается в том, что разрушение структуры древесины представляет процесс, который сопровождается механическими, тепловыми, электрическими и химическими явлениями. Осіювішм недостатком механического разрушения является то обстоятельство, что большая часть работы резания расходуется на образование измельченной древесины, которая по отношению к самой операции является отходом производства.
Древесина является растительным полимером, структура которого состоит из длинных цепных молекул. Полимеры характеризуются упругими, высокоэластичными и вязкотекучими деформациями, которым соответствуют физические состояния: стеклообразное, высокоэластичное и вязкотекучее. Переход из одного состояния в другое характеризуется критическими температурами: стеклования и текучести. При температуре текучести в древесине разрушаются её высокомолекулярные соединения: лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза.
В высокоградиентном температурном и высокоскоростном механическом полях материал древесины становится вязкотекучим. При существующих методах пиления основным является механический процесс разделения древесины, который сопровождается упругими и высокоэластичными деформациями, а вязкотекучее состояние материала древесины в этом процессе становится сопутствующим.
Основной задачей высоких технологий производства изделий из древесины является переход от операции резания, сопровождающейся образованием отходов, к операции раскроя, при которой отсутствуют отходы при высокой производительности, а, следовательно, высоко экологичной.
Разработка новых технологий раскроя связана с возможностью создания деформируемости в виде свойства вязкотекучести материала древесины как растительного полимера в термо-механо-акустических полях, создаваемых тонким инструментом, в качестве которого может выступать струна или тонкая узкая пластина: их можно рассматривать как асимптотику структуры лезвия дереворежущих станков в деревообрабатывающем производстве.
Резать существующим механическим способом получаемый в результате глубокого уплотнения в пьезо-термо-акустических полях материал древесины с высокими физико-механическими свойствами становится не эффективно. Это обстоятельство относится так же к раскрою древесинополимерных материалов, которые используются в компьютерных технологиях производства, объемного моделирования, композиций и др..
Цель работы. Теоретическое и экспериментальное обоснование инновационного метода раскроя древесины в высокоградиентном и высокоскоростном термо-ультразвуковом поле,
Объектом исследования является древесина, и инструмент её раскроя в тсрмо-ультразвуковом поле.
Предметом исследования являются процессы, сопровождающие деление древесины как растительного полимера высокоградиентным и высокоскоростным полем, которое создаётся струной, совершающей высокочастотные колебания.
Задача исследования:
построить уравнения движения материала древесины в деформированном вязкотекучем состоянии в термо-акустическом поле;
построить уравнение энергии для материала древесины в вязкотекучем состоянии, которое создается термо-акустическим полем, в котором диссипативная энергия колебаний превосходит теплопроводную, что позволяет снизить температуру тонкого инструмента и исключить обугливание поверхностей раскроя,
разработать математическую модель формирования теплового поля в окрестности струны,
разработать математическую модель движения струны в вязкотекучем материале древесины,
разработать математическую модель колебания струны в вязкотекучем состоянии древесины,
разработать электромагнитный метод ультразвуковых колебаний струны,
разработать и создать лабораторную установку раскроя древесины:
провести экспериментальные исследования раскроя древесины струной, совершающей ультразвуковые колебания.
Научная новизна:
математическая модель раскроя материала древесины как растительного полимера термо-акустическим полем, создаваемом струной,
математическая модель линейных, нелинейных и импульсных колебаний струны при раскрое древесины,
суперпозиция тонких высокочастотных полей: теплового, механического и магнитного,- обеспечивающих качественный раскрой древесины.
Достоверность научных исследований основывается на корректных допущениях при разработке математических моделей, позволяющих адекватно представлять исследуемые процессы, современными методами научного проникновения, включая механику полимеров, механику сплошных сред, теорию колебаний, электромагнитную динамику, статистику.
Теоретическое значение. Разработана математическая модель раскроя материала древесины в вязкотекучем состоянии, которое создаётся высокоградинтным и высокоскоростным термо-акустическим полем тонкого инструмента; на её основе становится возможным определять основные параметры технологического процесса: частоту колебаний, температуру, напряженность электромагнитного поля и скорость деления.
Научная значимость. Научно обоснован и экспериментально проверен метод эффективного, экологически чистого и качественного раскроя материала древесины, который может стать основой для высоких технологий деревопереработки.
.Научные положения, выносимые на защиту:
математическая модель раскроя материала древесины, как растительного полимера, в вязкотекучем состоянии струной, создающей высокоградиентное температурное и высокоскоростное термо-акустическое поле,
математическая модель линейных, нелинейных и импульсных колебаний струны в вязкотекучей среде древесины,
электромагнитный метод возбуждения в струне ультразвуковых колебаний,
аналитическое обобщение результатов выполненных экспериментальных исследований.
Теоретические, методические и информационные основы
исследования. Информационную основу исследования составили
материалы научных исследований специалистов, научная литература, материалы периодических изданий, патентная информация, сведения из сети Интернет.
Основные научные и практические результаты, полученные лично
автором:
- разработка электромагнитного метода создания акустических колебаний
струны,
разработка экспериментальной установки раскроя древесины струной, совершающей ультразвуковые колебания,
экспериментальные исследования и их аналитическое обобщение,
- математическая модель движения струны, совершающей термоакустические колебания, в вязкотекучей древесине. Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном
лесотехническом университете им. СМ. Кирова..
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались
на ежегодных научно-технических конференциях СПб ГЛТУ (2009г., 2010г.,
2011г.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 5-й
печатных работах в изданиях, рекомендованных ВАК, и монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
разделов, общих выводов и рекомендаций, библиографического списка
из 124 наименований. Общий объем работы состоит из 121 страницы,
37 иллюстраций и 12 таблиц.
