Введение к работе
Актуальность темы исследования. Применение древесины в производственной деятельности человека сопровождается постоянным улучшением применяемых методов обработки и конструктивных форм изделий из древесины на базе эмпирических поисков.
Производство фанеры считается рентабельным и интенсивно развивающимся сегментом деревообрабатывающей отрасли России. Стабильность и развитие производства фанеры в России обусловлена как растущим спросом внутреннего рынка, так и экспортной ориентацией. Это в свою очередь требует фундаментальных знаний в области наукоемких технологий, в первую очередь в области склеивания, которое является основой технологических процессов изготовления фанеры. Спрос на фанеру, в первую очередь толщиной 2-10 мм, возрастает из года в год.
Формирование фанеры и других древесных материалов в прессах непрерывного действия (валковых, ленточно-валковых, каландровых) – это сложный процесс взаимодействия рабочих органов пресса с древесным материалом, свойства которого изменяются под воздействием температуры и давления. Пульсирующий характер наложения давления требует серьезных теоретических и экспериментальных исследований процесса склеивания и качества получаемой продукции.
Повышение эффективности формирования фанеры на базе научно обоснованной технологии, с использованием прессов непрерывного действия является актуальной научно-технической задачей, имеющей значение для деревообрабатывающей промышленности, что подтверждается многочисленными исследованиями, как в России, так и за рубежом.
Степень разработанности темы исследования. Над проблемой формирования фанеры и других клееных древесных материалов в различные годы работали: М.С. Мовнин, А.Б. Израелит, В.Г. Бирюков, А.Н. Кириллов, Ю.В. Васеч-кин, Сергеевичев В.В., А.Н. Чубинский, C. Hse, J. Wellons и многие другие исследователи. Вместе с тем до сих пор нет четкого обоснования требований к конструктивным параметрам прессов непрерывного действия в условиях склеивания фанеры.
Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение эффективности производства фанеры использованием прессового оборудования непрерывного действия.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Математически описать процесс склеивания шпона непрерывным способом;
-
Выполнить анализ напряженного состояния пакета шпона в процессе склеивания;
-
Исследовать силовое взаимодействие прессующих органов с обрабатываемым материалом;
-
Разработать математические модели зависимости показателей качества фанеры от технологических режимов производства и конструктивных параметров прессов непрерывного действия;
-
Обосновать требования к конструктивным параметрам прессов непрерывного действия в условиях склеивания шпона;
-
Обосновать технологические режимы склеивания шпона в прессах непрерывного действия.
Научной новизной обладают:
-
Наложение пульсирующего давления путем ограничения амплитуды воздействия в диапазоне от 2 до 5 МПа позволяет повысить равномерность плотности фанеры, улучшить качество клеевого соединения, а также избежать чрезмерного уплотнения древесины и выдавливания связующего, в отличие от методов традиционного прессования, при которых невозможно регулировать давление в каждой отдельной зоне.
-
Разрушение клеевых связей в процессе склеивания фанеры является результатом совместного действия нормальных и касательных напряжений, возникающих при прокатке пакета шпона, которые зависят не только от давления, но и от диаметра прессующих валков, а также скорости нагружения.
-
Математические модели процесса механической прокатки пакета шпона в прессах непрерывного действия, учитывающие специфику процесса и позволяющие обосновать параметры рабочих органов прессов непрерывного действия и технологические режимы прокатки.
Теоретическая значимость работы
теоретическое обоснование эффективности наложения пульсирующего давления амплитудой воздействия в диапазоне от 2 до 5 МПа;
выявленные на основе теоретических исследований параметры зависимостей для давлений прессования фанеры позволяют решить задачи об их деформациях в явном виде при любых степенях уплотнения. При этом удается выделить составляющие компоненты упругих и остаточных деформаций и проследить закономерности их нарастания;
оценка компонентов деформаций и физико-механических свойств формируемых материалов;
выведенные зависимости определения напряженного состояния обрабатываемого материала;
математические модели, адекватно описывающие процесс прокатки пакета шпона.
Практическая значимость работы.
Полученные результаты могут быть использованы:
- на фанерных предприятиях для обоснования режимов склеивания пакетов
шпона в производстве фанеры непрерывным способом;
- при проектировании технологии изготовления фанеры.
Для практики имеет значение:
- экспериментальные зависимости (уравнения регрессии) показателей ка
чества фанеры и технологических параметров процесса;
- параметры рабочих режимов прессования.
Методология и методы исследования. Исследования базировались на принципах системного подхода с использованием обоснованных методов и методик научного поиска. Применение современных методов исследований, включая теорию механической прокатки листовых материалов, метод аппроксимации и наименьших квадратов, методику экспериментальных исследований характеристик обрабатываемого материала, методику экспериментальных исследований напряженного состояния в зоне прокатки позволило вывести математические модели процесса прокатки древесных материалов в прессах непрерывного действия, позволяющие решать задачи оптимизации и обосновать параметры процесса.
Информационную базу исследований составили материалы научных исследований, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, конференций, патентная информация, сведения из сети Интернет.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Наложение пульсирующего давления различной амплитуды изменяет условия тепломассопереноса и позволяет повысить равномерность плотности фанеры и качество клеевого соединения.
-
Напряжения, возникающие при прокатке пакета шпона, являются функцией не только давления, но и диаметра прессующих валков, а также скорости нагружения.
-
Математические модели процесса прокатки фанеры в прессах непрерывного действия, позволяющие решать задачи оптимизации режима и обосновать параметры рабочих органов пресса.
Степень достоверности. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: корректными допущениями при замене реальных процессов расчетными схемами при разработке математических моделей; современными средствами научного исследования; использованием положений теории упругости для анизотропного материала; методов решения контактных задач деформирования материалов; оценкой адекватности разработанных моделей реальным процессам; приемлемым совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными; положительными результатами внедрения технологии в производство.
Апробация. Результаты исследований апробированы в производственных условиях (ООО «Кадуйский фанерный комбинат» и ООО «Жешартский ЛПК»). Основные положения диссертации докладывались на НТК: Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка (Сыктывкар, 2013), Современные проблемы переработки древесины (Санкт-Петербург, 2013-2015), Итоги научно-исследовательских работ (Санкт-Петербург, 2015-2017); на международных конференциях: Леса России: политика, промышленность, наука, образование (Санкт-Петербург, 2016, 2017); Молодежный форум: технические и математические науки (Воронеж, 2015). Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР «Совершенствование конструк-
ции и эксплуатации деревообрабатывающих станков и инструментов». По результатам исследований опубликовано 12 статей, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, библиографического списка из 133 наименований, содержит 152 страницы основного текста, 39 рисунков, 26 таблиц, 3 приложения.