Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования 10
1.1 Анализ факторов, оказывающих влияние на качество склеивания цельной древесины 10
1.2 Анализ технологии изготовления клееных деревянных конструкций 16
1.3. Анализ биостойкости древесины и древесных материалов 19
1.4 Классификация методов контроля качества склеивания 22
1.5 Выводы. Цель и задачи исследования 34
2. Основные методические положения 36
2.1 Общие положения 36
2.1.1 Исходные материалы 36
2.1.2 Подготовка пиломатериалов к проведению эксперимента
2.2. Оборудование для проведения эксперимента 38
2.3. Методика проведения экспериментальных работ
2.3.1. Методика исследования влияния плотности древесины на ее прочность 39
2.3.2. Методика исследования влияния плотности древесины на краевой угол смачивания 42
2.3.3. Методика исследования прочности клеевых соединений в зависимости от влияющих факторов 44
2.3.4. Методика оценки биостойкости клееного бруса 49
2.3.5. Методика определения плотности древесины ультразвуком 51
2.3.6. Методика определения несплошности клеевого соединения ультразвуком 55
2.3.7 Методика планирования и обработки результатов эксперимента 59
3 Экспериментальные исследования процесса подготовки древесины к склеиванию
3.1 Исследование влияния плотности древесины на ее прочность 63
3.2 Исследование влияния плотности древесины на краевой угол смачивания 64
3.3. Исследование прочности клеевых соединений 67
3.3.1 Исследование влияния расхода клея на прочность клеевых соединений древесины 67
3.3.2 Исследование влияния давления прессования на прочность клеевых соединений древесины 69
3.3.3 Исследование влияния плотности древесины на прочность клеевых соединений древесины 3.4 Исследование биостойкости клееного бруса 76
3.5 Выводы 80
4. Обоснование технологии склеивания клееных деревянных конструкций 82
4.1 Обоснование факторов, существенно влияющих на прочность клеевого соединения 82
4.2 Вывод уравнения связи и его исследование 83
4.3 Выводы 94
5 Ультразвуковая диагностика в производстве клееных деревянных конструкций 95
5.1 Ультразвуковое прогнозирование прочности клеевых соединений древесины 95
5.2 Ультразвуковая диагностика сплошности клеевых соединений и скрытых пороков древесины 102
5.3 Выводы 109
6 Практическая реализация и экономическая эффективность внедрения ультразвукового метода прогнозирования прочности клеевых соединений 111
Список использованных источников
- Анализ технологии изготовления клееных деревянных конструкций
- Методика исследования влияния плотности древесины на краевой угол смачивания
- Исследование прочности клеевых соединений
- Вывод уравнения связи и его исследование
Введение к работе
Актуальность темы. Образование клеевых соединений - сложный физико-химический процесс взаимодействия древесины со связующим, зависящий как от свойств древесины, так и клея. Высокие требования, предъявляемые к несущим конструкционным элементам, требуют от производителей не только обоснованного выбора вида клея и обеспечения условий склеивания, но и подбора пиломатериалов по плотности, изменяющейся в широком диапазоне в стволе дерева и существенно влияющей на физико-механические свойства древесины и конструкций на ее основе.
Определение плотности древесины на стадии сортировки сухих пиломатериалов или ламелей перед склеиванием позволит получать клееные материалы требуемой прочности и биостойкости. Для реализации технологии селективного подхода к склеиванию клееных брусков и брусьев необходим метод, позволяющий в режиме реального времени в процессе обработки регистрировать изменение плотности древесины по объему всей ламели. Использование традиционного метода определения плотности по массе ламели позволяет определить ее среднее значение, которое по длине сортимента может оказаться ниже критического значения, что приведет к изготовлению дефектной продукции.
В процессе изготовления клееных деревянных конструкций вследствие нарушения технологии их изготовления могут образовываться скрытые не-проклееные места, способные привести к разрушению всей конструкции. Диагностика несплошности клеевых соединений также представляется перспективной как в качестве контроля на производстве, так и непосредственно на месте эксплуатации.
Поэтому разработка технологии склеивания, включающей ультразвуковую диагностику и пиломатериалов, и готовой продукции, представляется актуальной.
Цель работы. Повышение качества клееных деревянных конструкций путем входной диагностики плотности древесины и сплошности клеевых соединений в процессе их производства.
Объектом исследования являются клееные сортименты из цельной древесины.
Предметом исследования являются процессы формирования клееных древесных материалов и методы оценки их прочности.
Научной новизной обладают:
-
Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности использования акустических неразрушающих методов контроля для оценки прочности клеевых соединений и диагностики внутренних дефектов.
-
Методика сплошного неразрушающего контроля плотности древесины и сплошности клеевых соединений, учитывающая возможное смещение сигнала, вызванное строением древесины.
3. Математико-статистические модели процессов склеивания древесины, описывающие в том числе влияние плотности древесины на прочность клеевых соединений.
Достоверность выдвинутых гипотез, выводов и рекомендаций обеспечена современными методами и средствами научного проникновения, включая ультразвуковую диагностику, микроскопию, обоснованными допущениями и упрощениями при разработке математических моделей, подтверждением адекватности моделей; результатами экспериментальных лабораторных и производственных исследований. Используемые при проведении экспериментов приборы и оборудование соответствовали необходимой точности для проведения испытаний.
Теоретическая и практическая значимость работы. Подтверждено, что плотность древесины существенно влияет на ее прочность и установлено влияние плотности на прочность клеевых соединений. Определено влияние вида клея на прочность клеевых соединений и биостойкость клееных конструкций. Установлен характер разрушения клеевых соединений древесины разной плотности.
Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования временного теневого метода акустического неразрушающего контроля для прогнозирования прочности клеевых соединений и амплитудного теневого метода неразрушающего контроля для диагностики внутренних дефектов в клееных деревянных конструкциях.
Обоснованы параметры использования ультразвуковых дефектоскопов при проведении диагностики плотности древесины перед склеиванием, а также даны рекомендации по определению параметров ультразвуковых устройств для выявления наличия вігутрешшх дефектов в клееных деревянных конструкциях.
Установлена специфика ультразвуковой диагностики древесины, вызванная се строением.
Применение в промышленном производстве полученных результатов позволит:
-
Повысить качество формирования клеевых соединений древесины различного функционального назначения путем сортировки ламелсй перед склеиванием по плотности.
-
Определять внутренние скрытые дефекты, направляя не соответствующие для несущих элементов ламели в производство продукции иного функционального назначения.
Теоретические, методические и информационные основы исследования. Теоретическую основу исследований составили базовые положения теории адгезии, науки о древесине, теоретические положения неразрушаю-щих акустических методов контроля.
Исследования проводились на основе системного подхода с использованием современных методов и средств научного поиска, планирования опытов и обработки результатов.
Информационную базу исследований составили: патентная информация, материалы научных исследований ведущих специалистов, научная, учебная и
методическая литература, материалы периодических изданий, собственные научные исследования, материалы, представленные в сети Интернет.
Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:
теоретически и экспериментально обоснованы методика и средства ультразвуковой диагностики плотности древесины и сплошности клеевых соединений;
доказана необходимость учета смещения ультразвукового импульса в зависимости от направления волокон древесины, изменяющего траекторию движения ультразвукового импульса;
определено влияние плотности древесины на ее прочность и прочность клеевых соединений с использованием воднодисперсионных и полиме-ризоцианатных клеев;
установлено влияние вида клея на биостойкость клееных конструкций;
разработана классификация факторов, оказывающих влияние на качество формирования клеевых соединений;
разработаны математико-статистические модели процесса склеивания цельной древесины.
Место проведения. Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени СМ. Кирова на кафедре технологии лесопиления и сушки древесины. Исследования по ультразвуковой диагностике проводились в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) на кафедре электроакустики и ультразвуковой техники.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 7 международных и российских научных конференциях и симпозиумах в 2007, 2009 - 2011 гг. При поддержке Правительства Санкт-Петербурга выполнено 3 проекта: «Повышение качества формирования клеевых соединений древесины», 2009 г.; «Исследование влияния плотности древесшш на прочность клеевых соединений при использовании воднодисперсионных и изоцианат-ных клеев», 2010 г.; «Прогнозирование прочности клеевых соединений цельной древесины», 2011 г. Промышленная проверка результатов исследований проведена на ООО «ДОЗ Технопарк - Сосново» и ЗАО «КРОНА».
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 статей, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Получен Патент РФ на полезную модель № 104584 «Клееный строительный брус».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, библиографического списка из 92 наименований, содержит 130 страниц основного текста, 43 рисунка, 27 таблиц, 7 приложений.
Анализ технологии изготовления клееных деревянных конструкций
Плотность древеси-ны сосны варьирует в Северо-Западного регионе от 350 кг/м до 650 кг/м . Ранее доказано /60/, что прочность клеевых соединений существенное зависит от плотности контактных слоев древесины, изменение которой даже в малом диапазоне 500-520 кг/м способно оказывать влияние на прочность клеевого соединения. Проведенные ранее исследования /62/ показывают, что прочность клеевых соединений различна не только в каждом слое КДК, но и по всей его длине. Одним из возможных факторов, оказывающих влияние на неравномерное распределение прочности клеевых соединений может являться плотность древесины.
При изготовлении клееных деревянных конструкций направление волокон древесины при склеивании смежных ламелей, задается в противоположные друг от друга стороны. За счет этого конструкции оказываются более прочными по сравнению с обычным брусом, при изменении влажности не изменяют своей формы, повышаются звукоизолирующие свойства, компенсируются возможные внутренние напряжения.
Цилиндрическое фрезерование является наиболее распространенным способом подготовки поверхности древесины к склеиванию. Шероховатость поверхности при этом находится в диапазоне 20 +- 60 мкм. В соответствии с существующими требованиями шероховатость поверхности древесины перед склеиванием должна быть не выше 200 мкм. Однако при этом типе фрезерования наблюдается повышенное трение фрезы о древесину, сопровождающееся нагревом поверхности, смола древесине разогревается и заполняет клетки древесины, наблюдается смятием поверхностных слоев, что в свою очередь способно мешать проникновению клея в клетку древесины. При использовании торцового фрезерования, шероховатость поверхности находится в том же диапазоне, что и при цилиндрическом, но в отличие от него, не сминает поверхностные слои, а «открывает» полости клеток древесины, упрощая возможность проникновения жидкости в древесину. Основной недос 14 таток этого метода заключается в относительной дороговизне по сравнению с альтернативным методом.
Точность и стабильность размеров оказывают влияние не только на прочность клеевых соединений, но и на расход клея. Ранее установлено /70/, что при отклонении каждой ламели в прессе от толщины по ширине на 0,2 мм и при количестве таких ламелей в прессе около 30, возможно снижение прочности клеевого соединения в 1,2 раза, что обуславливается недостаточным давлением прессования для полного контакта по площади.
Требования к шероховатости поверхности древесины регламентируются по ГОСТ 7016 "Древесина. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики". Шероховатость поверхности влияет на возможность древесины смачиваться клеями, рациональным значением является шероховатость менее 60 мкм. Увеличение шероховатости поверхности влечет за собой повышение площади склеивания и как следствием необходимостью увеличения расхода клея.
Клей. В настоящее время в производстве клееных древесных материалов и конструкций используются клеи различной химической природы: ре-зорцино- и фенолорезорциноформальдегидные, эмульсионные полимер-изоцианатные, меламино- и карбамидоформальдегидные, поливинилацетат-ные и др.
Клеевые соединения на резорцино- и феноло-резорциноформаль-дегидных, феноло- и карбамидоформальдегидных клеях изучены достаточно полно, что нашло отражение в /69, 79/.
Исследования последних лет были преимущественно направлены на обоснование технологии склеивания клееных брусков для оконных блоков на поливинилацетатных клеях /64, 79, 80/.
В Северо-Западном регионе при производстве КДК широко применяют эмульсионный полимер-изоцианатный (ЭПИ) клей «PREFERE 6151». Этот клей является термореактивным веществом и находит различное применение в деревообрабатывающей промышленности благодаря его влагостойкости, вязкости, быстрому времени отверждения, получению на его основе прочного соединения. ЭПИ клеи применяются при холодном прессовании и обладают высокой адгезионной способностью при склеивании сложных материалов из твердой древесины, а также быстро отверждаются при высокой влажности подложки.
В производстве оконного клееного бруска на современном рынке пользуется спросом поливинилацетатный (ГТВА) клей «Клебит 303.0». Клеи этой группы отличается эластичностью и химической стойкостью, но невысокой теплостойкостью.
Расход клея производителями устанавливается в большом диапазоне и зависит от применяемой породы древесины, условий склеивания и т.п., поэтому, для каждой породы древесины целесообразно опытным путем устанавливать его расход как с учетом прочностных характеристик, так и экономической эффективности.
Условия склеивания. Условия склеивания задаются в основном производителями клеев в зависимости от типа применяемого клея и его особенностей.
Давление прессования должно обеспечить полный контакт поверхностей склеивания. В среднем при склеивании КДК давление прессования рекомендуется устанавливать в диапазоне 0,6 - 1 МПа, однако, с учетом породы древесины, условий склеивания, значение этого параметра целесообразнее устанавливать опытным путем для определенных условий и типа склеиваемой древесины. Относительно большой разброс давления также связан с возможными отклонениями ламелей от геометрических размеров (разнотол-щинность).
Методика исследования влияния плотности древесины на краевой угол смачивания
В качестве тест-организмов использовали базидиальные грибы Comophora puteana (штамм 7-76), полученный из микотеки кафедры общей экологии, анатомии и физиологии растений Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии. Дереворазрушающий гриб Coniophora puteana является основным разрушителем древесины строительных элементов, эксплуатируемых в закрытых помещениях. Биостойкость оценивали по потери массы образца под воздействием гриба Coniophora puteana (Coniophora cerebella) в течении 56 суток на вермикулитовой среде с добавкой воды и сусле в соотношении 1:1. Испытания образцов древесных материалов на биостойкость проводили по стандартной методике (ГОСТ 28184 «Средства защитные для древесины. Метод определения предела воздействия на дерево-разрушающие грибы класса базидиомицетов») с учетом требований Европейского стандарта EN 350-1 «Durability of wood and wood based products. Natural durability of solid wood».
Методическая сетка эксперимента представлена в табл. 2.8. Методическая сетка эксперимента оценки биостойкости клееного бруса Задача исследования Постоянные факторы Переменные факторы Параметр оценки объекта исследования Общееколичествонаблюдений Наименование Значения Наименование Значение Установитьбиостойкостьклееного бруса 1. Дереворазрушающийгриб2. Размеры образца, мм3. Начальная влажностьобразца, %4. Порода древесины5. Плотность древесины,кг/м Coniofora puteana 20x20x50-2 сосна525 ± 25 Клееный брус с использованием различных типов клеев на ПВА клее на ЭПИ клее о4ейяQ, VOОЯ о о«(Uн ос 25
Для определения плотности древесины при помощи ультразвука использовали ультразвуковой дефектоскоп «А 1214 ЭКСПЕРТ», общий вид которого представлен на рис. 2.4 и характеристики в табл. 2.9 , с 2-мя преобразователями ПЭП 111-2,5-К6 (прямой, контактный, совмещенный, с рабочей частотой 2,5 МГЦ, диаметр пьезопластины 6 мм).
Общий вид ультразвукового дефектоскопа А 1214. После обработки ламелей на четырехстороннем продольно-фрезерном станке, производился раскрой на заготовки размерами 30 х 30 х 26,5 мм, обусловленные размерами преобразователя ультразвукового дефектоскопа. Образцы взвешивали и определяли плотность с помощью контрольного весового метода.
Принципиальная схема определения плотности древесины при помощи ультразвука, основанного на временном теневом методе: 1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - древесина; 4 - приемник; 5 - усилитель; 6 - измеритель времени прихода импульса. При выборе частоты ультразвука руководствовались ранее проведенными исследованиями /14, 35/, в которых при определении сучков, гнилей и других дефектов в древесине, использовали частоты 0,05 - 0,5 МГц. В работе /44/ приведены рекомендации для выбора частоты в зависимости от толщины и вида контактного слоя контролируемого объекта, в которой для прозвучи-вания предлагается использовать частоты диапазона 0,5 - 5,0 МГц, кроме того выбор частоты был принят как максимально возможный, который «может пройти» через древесину, руководствуясь следующими закономерностями распространения ультразвука: с увеличением его частоты длина волны уменьшается, что позволяет с большей степенью вероятности определить момент прихода первого импульса на приемник и снизить вероятность ошибки, связанной с «потерей полуволны»; с уменьшением частоты снижается затухание сигнала, что позволяет проводить измерения в материалах с большим затуханием.
При проведении предварительных экспериментов было установлено, что высокая точность результата может быть получена при частоте 2,5 МГц при исследовании древесины толщиной 26 мм.
В процессе исследования определению подлежали: время задержки ультразвука t3 в преобразователе и контактных слоях на эталонном образце. Это время, характеризующее датчик, не зависит от свойств древесины или иного объекта контроля; время прохождения через древесину первого сигнала, представляющего собой общее время движения сигнала за вычетом времени задержки; скорость распространения ультразвука в древесине: h где h - толщина древесины, м; t - время прохождения ультразвукового импульса от пьезоэлемента излучающего преобразователя до приемника, с; t3 - время прохождения импульса через акустические задержки: призмы или протекторы, слой контактной жидкости, с. Методическая сетка проведения эксперимента представлена в табл. 2.10.
Наименование Значение Наименование Значение Установить влияние плотности древесины на скорость прохождения ультразвука 1. Влажность древесины, %2. Шероховатость поверхности, мкм3. Порода древесины4. Частота, МГц5. Влажность окружающей среды, %6. Температура окружающей среды, С7. Номинальная толщина ламелей, мм 10±2 24 ±8 Сосна2,56520 ±226,5 о sеви я3Он н « я яоX оя нУо о,о « О Плотность древеси-ны, кг/м 350-400 400-450 450 - 500 500-550 550-600 600 - 650 55 2.3.6. Методика определения несплошности клеевого соединения ультразвуком
В процессе производства КДК в склеиваемых между собой ламелях могут образовываться непроклееные места в результате неравномерного нанесения клея на поверхность древесины; наличия дефектов механической обработки, таких как сколы, вырывы, трещины и пороки древесины, в первую очередь выпавших сучков, нарушения технологии производства, пример одного из которого представлен на рис. 2.6.
Для оценки возможности применения ультразвуковой диагностики для определения несплошности клеевого соединения использовали амплитудный теневой метод акустического контроля. При выборе частоты ультразвукового импульса руководствовались принципами, представленными в пункте 2.3.6. Проведенные предварительные эксперименты показали, что высокая точность результата может быть получена при частоте 1,25 МГц при исследовании склеенных между собой двух ламелей толщиной 26 мм каждая. При наличии пустоты падает амплитуда импульса звукового сигнала, проходящего через склеенные ламели (рис. 2.7).
Исследование прочности клеевых соединений
Исследование проводили в соответствии с методикой, представленной в разделе 2.1. В табл. 3.1. представлены результаты экспериментов, обработанных по методике 2.3.2. Экспериментальные данные представлены в приложении 1, табл. 1. Линейный характер зависимости прочности от плотности древесины получен и в работах [52, 64, 71]. Следует отметить, что изменение прочности древесины в зависимости от ее плотности находится в относительно небольших пределом диапазоне от 5,65 до 6,41 МПа. Тем не менее, при использовании древесины в качестве конструкционного материала применение элементов с прочность менее 6 МПа не допускается. Известно, что прочность древесины при скалывании вдоль волокон определяется прочностью связей между мицеллами и плотностью их упаковки, которые различны у ранней и поздней древесины. Сопротивление древесины скалыванию зависит не только от ее средней плотности, но и различия между плотностью ранней и поздней древесины, равномерностью распределения древесинного вещества по объему дерева.
В соответствии с методикой, представленной в пункте 2.3.4 и обработкой экспериментальных данных, раздел 2.3.2 в табл. 3.2 представлены результаты проведенных экспериментов по исследованию влияния плотности древесины на способность смачиваться воднодисперсионными и полимер-изоцианатными клеями. В приложении 2 представлены экспериментальные данные определения угла смачивания для ПВА клея табл. 2, для ЭПИ - табл. 3.
Известно, что снижение краевого угла смачивания в диапазоне 90 - 0 град способствует лучшему растеканию клея по поверхности подложки и, как следствие, образованию более прочного клеевого соединения. На представленной зависимости, рис. 3.2, видно, что с увеличением плотности древесины, краевой угол смачивания снижается у обоих типов клеев и носит примерно похожее значение для плотности 350 +- 450 кг/м3, в этом диапазоне, вероятно, прочность клеевых соединений для представленных клеев не будет существенно отличаться друг от друга. С увеличением плотности древесины, различие в значении краевого угла смачивания существеннее различается у рассматриваемых типов клеев и при максимальном значении плотности разница составляет в 1,15 раза, таким образом в этом диапазоне плотности дре 67 весины будет наблюдаться существенная разница в прочности клеевых соединений. Как видно на рис. 3.2, смачивающая способность у ЭПИ клея лучше, чем у ПВА и с увеличением плотности древесины эта способность также повышается.
Результаты эксперимента, выполненного в соответствии с методикой 2.3.3, представлены в табл. 3.3 и на рис. 3.3. Экспериментальные данные представлены в приложении 3, табл. 6. Таблица 3.3 Результаты влияния расхода ЭПИ клея на прочность клеевых соединений при скалывании вдоль волокон Расход клея, г/м Прочность при скалывании по клеевому слою, МПа
Как видно из представленного графика рациональным расходом ЭПИ клея «PREFERE 6151» является 300 +- 350 г/м , достигаемая при этом прочность выше допустимого минимального значения прочности клеевого соединения при скалывании вдоль волокон более, чем на 13 %. В диапазоне расхо-да клея 150 +- 250 г/м наблюдается снижение прочности клеевого соединения на 11 %, что можно объяснить «голодным» склеиванием. В диапазоне 350 - у 400 г/м наблюдается увеличение прочности клеевого соединения до 21 % относительно минимально допустимого. С увеличением расхода клея до 400 - 550 г/м прочность снижается, что, с нашей точки зрения, может быть вызвано увеличением толщины клеевого соединения и, как следствие, ростом в нем при отверждении внутренних напряжений, приводящих к когезионному (по клею) разрушению. 3.3.2 Исследование влияния давления прессования на прочность клеевых соединений древесины
В табл. 3.4 и на рис. 3.4 представлены результаты экспериментов, обработанных по методике 2.2. Экспериментальные данные представлены в приложении 3, табл. 7.
Таблица 3.4 Результаты влияния давления прессования на прочность клеевых соединений при скалывании вдоль волокон с использованием ЭПИ клея
Давление прессования, МПа Рис. 3.4. Зависимость прочность клеевого соединения при скалывании вдоль волокон от давления прессования Зависимость прочности от давления прессования может быть описана уравнением 3.5: тск =-5,23- Р2 +10.35 -Р +1.83 (3.5) где тск - прочность клеевого соединения при скалывании вдоль волокон, МПа, уровень достоверности Ri=0,97; Р - давление прессование, 0,4 Р 1,2 МПа. Из графика видно, что максимальная прочность достигается при давлении прессования 1,0 МПа. При давлении 0,6 +- 0,8 МПа прочность клеевых соединений удовлетворяет требованиям к прочности клеевых конструкций, составляющем 6 МПа. При давлении 0,4 МПа прочность клеевого соединения ниже требуемого. Дальнейшее увеличение давления прессования до 1,2 МПа снижает прочность клеевого соединения. Такое снижение прочности объясняется более плотным контактом склеиваемых поверхностей, и, как следствие, вытеснение клея между ламелями, что приводит к недостаточному объему нанесения клея, и как следствие, снижение прочности соединения. Дальнейшее увеличение давление прессования нецелесообразно: наблюдается большее выдавливание клея, а также смятие поверхностных слоев древесины.
Вывод уравнения связи и его исследование
Известно /64/, что плотность древесины зависит от соотношения объемов зон ранней и поздней древесины, размеров клетки, их количества в единице объема и других характеристик структуры и состава древесинного вещества и может быть различной даже в одном склеиваемом сортименте (ламели).
В табл. 5.1 и на рис. 5.1 представлены результаты эксперимента определения скорости прохождения ультразвука в древесине сосны в зависимости от ее плотности. Экспериментальные значения представлены в приложении 5, табл. 12. Методика проведения эксперимента представлена в разделе 2.3.6.
Из рис. 5.1, видно, что зависимость скорости прохождения ультразвука от плотности древесины носит близкий к линейному характер, с увеличением плотности древесины скорость ультразвука возрастает. Проведенные исследования при наличии зависимости между прочностью и плотностью древесины позволяют установить связь между скоростью прохождения ультразвука в древесине, рис. 5.2, и ее прочностью: тск= 0,0006 С + 5,29 (5.2) Установление характера связи между скоростью прохождения звука в древесине и ее прочностью, наличие аналогичной зависимости плотности древесины и прочности клеевых соединений, позволяет предположить, что между скоростью прохождения звука в древесине и прочностью клеевых соединений может быть подобная связь, что в свою очередь позволит прогнозировать прочность клеевых соединений древесины на ранних стадиях сортировки ламелей перед склеиванием.
На рис. 5.3 представлены изображения экрана дефектоскопа (А-сканы), показывающие сигналы, прошедшие через древесину различной плотности. В А-сканах горизонтальная линия соответствует времени пробега импульса t, которое пропорционально его пути. Высота пиков (импульсов) по оси ординат пропорциональна амплитуде (акустическому давлению) сигнала Л
Рис. 5.3. А-сканы: а - для диапазона плотности 550 + 600; б - для плотности 600 + 650. Измерение времени прихода проводилось по переднему фронту пришедшего на приемный преобразователь сигнала. Уровень строб-импульса (область А-скана, в которой происходит обработка дефектоскопом принятого сигнала) устанавливался на 2 дБ выше уровня шумов. Первый пришедший импульс проходит кратчайшее расстояние от преобразователя до приемника, что соответствует прямому прохождению звука от излучателя до приемника. Учитывая анизотропию древесины, ее структуру и направление волокон, звуковой пучок отклоняется, и на преобразователь приходят также другие импульсы с задержкой, обусловленной смещением и прохождением большего расстояния, рис. 5.4. В зависимости от внутренней структуры древесины это отклонение может быть различным и в ряде случаев прямой и отклоненный импульсы накладываются друг на друга, что делает невозможным их разрешение.
При проведении исследований было установлено, что направление волокон влияет на смещение проходящего сигнала, при условии установлении плотности древесины и ее пороков этот факт может существенно влиять на достоверность результата, например, в случае смещения сигнала на древесине требуемой плотности без дефектных зон, может быть потерян сигнал и такая древесина признана ненадлежащего качества. Следует отметить, что в рамках проводимых исследований направление волокон древесины было радиальное и полурадиальное. Схематическое изображение смещения сигнала относительно вертикали в зависимости от направления волокон представлено нарис. 5.5.
При проведении исследований было установлено, что пришедший импульс может быть значительно смещен относительно вертикали в зависимости от направления волокон древесины и, например, при направлении волокон в 45 смешение импульса может достигать значения, равное толщине ламели. Влияния направления волокон на угол смещения сигнала относительно излучателя представлено на рис. 5.6. нализируя зависимость на рис. 5.5 можно сделать вывод, что влияние угла смещения импульса в зависимости от направления волокон носит близкий к линейному характер. Смещения импульса в зависимости от направления волокон необходимо учитывать в случае, когда величина смещения больше радиуса пьезопластины приемника, поскольку в таком случае высока вероятность потери сигнала и принятия ошибочного решения о наличии дефекта в древесине, через который сигнал не пришел с излучателя на преобразователь. Однако, следует уточнить, что смещения сигнала незначительно влияет на скорость прохождения ультразвука.
Влияние плотности древесины на прочность клеевых соединений (рис. 3.5) имеет аналогичный характер. С увеличением плотности повышается когезионная прочность древесины, возрастает количество образующихся связей между клеем и древесинным веществом на единицу площади, что повышает адгезионную прочность соединения. Наличие связи между плотностью древесины и прочностью клеевых соединений, с одной стороны, и плотностью древесины и скоростью распространения в ней ультразвука, с другой позволяет установить соответствие между скоростью прохождения ультразвука через ламель определенной толщины и возможной прочностью клеевого соединения, полученного при склеивании ламелей соответствующей плотности (рис. 5.7). Установление подобной зависимости может позволить при определении скорости распространения ультразвука на ранней стадии сортировки ламелей производить отбор пиломатериалов и вырезку заготовок для дальнейшего склеивания на зубчатый шип с учетом предъявляемой к конструкции требованиям по несущей и прочностной характеристикам, а также снизить объемы производства продукции ненадлежащего качества, не отвечающего требованиям ГОСТ.
