автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Деформативность и прочность древесины и древесностружечных плит в технологических процессах

Введение

I. Закономерности деформирования древесины и древесностружечных плит .II

1.1. Расчетные модели деформирования древесины .II

1.2. Деформативность древесины поперек волокон при переменной влажности и температуре

1.2.1. Деформирование древесины под действием нагрузки

1.2.2. Усушка и разбухание древесины

1.3. Анализ литературных данных

1.4. Методики и результаты экспериментальных исследований деформирования древесины при переменной влажности и температуре

1.4.1. Лабораторное оборудование

1.4.2. Исследование влияния напряжений на величину коэффициента усушки

1.4.3. Деформирование древесины в условиях циклически изменяющихся влажности и температуры

1.4.4. Исследование влияния нелинейности исходных зависимостей " - 6> " на закон деформирования древесины

1.4.5. Влияние циклических изменений влажности на прочность нагруженной древесины

1.5. Закономерности деформирования древесины поперек волокон при переменной влажности и температуре

1.6. Определяющие соотношения между напряжениями и деформациями древесины, как влаго-анизотропной среды

1.7. Деформационные свойства древесностружечных

1.7.1. Краткие сведения о ползучести древесностружечных плит

1.7.2. Деформирование древесностружечных плит при переменной влажности и температуре 1.7.3. Влажностные деформации древесностружечных плит

2. Технологическое регулирование механических свойств древесностружечных плит

2.1. Механические свойства древесностружечных плит, как конструкционного материала

2.1.1. Анизотропия механических свойств древесностружечных плит

2.1.2. Влияние облицовывания на механические характеристики плит

2.2. Структурно-механический анализ древесностружечных плит

2.2.1. Зависимость механических характеристик от структуры древесностружечных плит

2.2.2. Выбор и обоснование расчетных моделей для структурно-механического анализа

2.2.3. 0 прочности склеивания древесины при малых расходах связующего

2.2.4. Геометрия структурных элементов плит

2.2.5. Определение рациональных размеров древесных частиц

2.2.6. О предельных значениях прочности древесностружечных плит при изгибе.

3. Исследование напряжений и перемещений, развивающихся в материалах при проведении технологических операций, на одноосных моделях

3.1. Краткий литературный обзор

3.2. Напряжения при сушке древесины

3.2.1. Напряжения при сушке закрепленного стержня

3.2.2. Напряжения при сушке пиломатериалов

3.2.3. Определение переходных параметров режима сушки пиломатериалов

3.3. Деформирование древесностружечных плит в технологических процессах отделки

3.3.1. Упрессовка плит при облицовывании их полимерными пленками

3.3.2. Коробление плит при несимметричных внешних воздействиях

3.3.3. Задачи об устранении коробления в процессе акклиматизации

4. Исследование плоского напряженно-деформированного состояния при сушке древесины в рамках теории упругости

4.1. Краткий литературный обзор

4.2. Применение метода Ритца для решения задачи о напряженном состоянии при сушке пиломатериалов

4.3. Разрывная функция распределения влажности

4.4. Анализ распределения напряжений в пиломатериалах при сушке

4.5. Напряженное состояние при сушке круглых сортиментов

4.6. Напряжения у торцов

4.7. Основные результаты

5. Применение метода конечных элементов для расчета напряжений при сушке пиломатериалов

5.1. Основные понятия метода конечных элементов

5.2. Расчетная схема и особенности программы

5.3. Метода расчета поля влажности при сушке древесины

5.4. Сравнение расчетных и экспериментальных данных об изменении поля влажности и напряженности в процессе сушки пиломатериалов

5.5. Расчеты напряжений и перемещений при сушке хвойных (сосна, ель) пиломатериалов

5.6. Обобщение результатов теоретических экспериментальных исследований

6. Методы контроля механических характеристик

6.1. 0 методе определения предела прочности при растяжении перпендикулярно пласти древесностружечных плит

6.2. Метод определения клеящей способности связующих

6.3. Метод определения модуля упругости отвержденных смол.

6.4. Физико-механические свойства бумажносмоляных пленок на основе меламиновых смол

6.5. О методе определения остаточных напряжений в пиломатериалах .26?

7. Технико-экономические задачи, связанные с механикой древесностружечных плит

7.1. Методика определения технических требований к древесностружечным плитам

7.2. Технические требования к древесностружечным плитам для корпусов телевизоров

7.3. Технико-экономическая модель определения оптимальных соотношений плотности и расхода связующего в производстве древесностружечных плит

7.4. Качество древесностружечных плит и исходной древесины

Задачи повышения эффективности и качества общественного производства, поставленные в решениях ХХУ1 съезда КПСС,могут быть решены на основе широкого использования достижений науки и техники во всех отраслях народного хозяйства. Зто вызывает необходимость дальнейшего развития экспериментальных и теоретических;, исследований основных технологических процессов .

Проблемы деформативности и прочности древесины и древесных материалов занимают важное место при оптимизации многих технологических процессов деревообработки. Особенно Еажно знать эти закономерности при проведении таких процессов, в которых деформирование древесины происходит в условиях изменяющейся влажности и температуры. В этих условиях проявляется целый ряд особенностей, связанных с существенной зависимостью механических характеристик древесины от влажности, температуры и времени действия нагрузки. К таким технологическим операциям, в которых данные вопросы являются определяющими, относятся: сушка древесины, гнутье, склеивание и прессование.

Сушка пиломатериалов является необходимой технологической операцией, предшествующей дальнейшей механической обработке древесины и во многом определяющей качество изделий из древесины. В настоящее время в СССР потребляется более 110 миллионов м3 пиломатериалов в год. Интенсификация процессов сушки приводит к сокращению производственных площадей, экономии энергии и снижению себестоимости продукции. Однако чрезмерное ускорение удаления влаги из древесины связано с образованием значительных градиентов влажности и развивающиеся при этом напряжения могут привести к нарушению целостности материала - растрескиванию. Кроме того, по окончании процесса сушки в древесине развиваются довольно большие по величине остаточные напряжения.

При последующей механической обработке наличие этих напряжений приводит к значительному изменению формы пиломатериалов -короблению. Это связано с назначением излишне больших припусков на механическую обработку.

Уменьшение этих напряжений в процессе сушки также приводит к значительной экономии материала, энергозатрат и повышению качества продукции.

Прочность и деформативность таких прессованных древесных материалов как древесностружечные плиты являются одними из основных показателей качества, определяющих их применение в конструкциях мебели, строительстве и др. Эти показатели механических свойств древесностружечных плит во многом определяются свойствами исходной древесины, размерами и ориентацией древесных частиц, конструкцией и плотностью плит, а также качеством и количеством связующего .

Таким образом,для получения плит с заданными'свойствами, определяемыми областью их применения, необходимо знать зависимость механических характеристик древесностружечных плит от их структуры.

Промышленность древесностружечных плит по темпам развития занимает одно из ведущих мест. Б настоящее Бремя в СССР более 100 заводов и цехов выпускают около 5 миллионов м3 древесностружечных плит в год. Около 80% этой продукции использует мебельная промышленность.

Для изготовления мебели применяют плиты,отделанные различными способами и различными материалами - натуральным шпоном твердых лиственных пород древесины, бумажнослоистым пластиком, бумаж-носмоляными пленками с различными смолами. При эксплуатации мебельных конструкций плиты подвергаются различным по величине и характеру силовым воздействиям. Это предъявляет специфические требования к плитам, используемым в мебели.

В дальнейшем области применения древесностружечных плит будут расширяться. Так за рубежом древесностружечные плиты уже сейчас широко применяются в домостроении, строительстве и на транспорте. Показатели физико-механических свойств таких плит должны быть еще в большей степени дифференцированы по областям использования.

Все это приводит к необходимости разработки и обоснования методов прогнозирования физико-механических свойств древесностружечных плит, как структурно-неоднородного композиционного материала.

В процессе производства в плитах образуются остаточные напряжения, которые приводят к короблению. Устранение коробления в процессах кондиционирования плит являются одной из важных задач в технологии их изготовления.

Таким образом,основной целью данной работы является создание методов расчета напряжений и деформаций в древесине и древесностружечных плитах при проведении технологических процессов на основании экспериментально-теоретических исследований и разработка практических рекомендаций по оптимизации этих процессов.

Работа состоит из семи разделов.

В первом разделе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований деформирования древесины и древесностружечных плит при переменной влажности и температуре. Приведены данные по деформативности и прочности поперек волокон наиболее распространенных пород древесины в диапазоне изменения температуры от 20 до Ю0°С и влажности от 5 до 30$ и данные о влиянии влажности и температуры на показатели механических характеристик древесностружечных плит.

Во втором разделе разработаны основы механики древесностружечных плит, как структурно-неоднородного дисперсного композиционного материала. Даны методы расчета механических характеристик (прочности и жесткости) древесностружечных плит в зависимости от размеров древесных частиц, плотности и конструкции плит, а также количества и качества связующего. Приведены рекомендации по выбору рациональных размеров древесных частиц для плит различного назначения.

В третьем разделе на одщоосно-деформируемых моделях с учетом закономерностей деформирования, полученных в первом разделе, исследованы процессы деформирования в . технологических операциях сушки древесины и облицовывания древесностружечных плит.

В четвертом разделе методами теории упругости исследовано плоское напряженное состояние, возникающее в начальном периоде сушки древесины.

В пятом разделе напряженно-деформированное состояние при сушке пиломатериалов исследовано с помощью метода конечных элементов и с учетом закономерностей деформирования древесины. Проведены экспериментальные исследования и даны рекомендации по регулированию процесса камерной сушки хвойных пиломатериалов.

В шестом разделе приведены результаты исследований по разработке новых и совершенствованию существующих стандартных методов определения механических характеристик, используемых для контроля качества продукции и регулирования технологических процессов.

В седьмом разделе показаны связи задач механики с вопросами экономики и качества в производстве древесностружечных плит.

I. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ И ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволили оценить влияние различных факторов на деформативность и прочность древесины поперек волокон и древесностружечных плит при нагруженин в условиях меняющейся влажности и температуры.

Б результате этих исследований сформулированы закономерности деформирования, применяемые для расчетов технологических процессов, в которых древесина и древесные материалы подвергаются нагружению при изменяющейся влажности и температуре.

Данные закономерности позволяют количественно описать напря-женно-деформирошнное состояние, возникающее в древесине и древесных материалах при их сушке, гнутье и прессовании, и объясняют образование значительных по относительной величине термовлагозадер- < жанных деформаций, исчезающих при повторной тепловлагообработке.

Приведены данные о деформативности и прочности наиболее распространенных древесных пород в тангенциальном направлении при различной влажности и температуре, необходимые для проведения расчетов с использованием закономерностей деформирования древесины как тер-мовлагоанизотропной среда, а также данные о влиянии температуры и влажности на механические характеристики древесностружечных плит.

Разработаны основы механики древесностружечных плит, как дисперсного композиционного материала. Б результате чего дана методика определения рациональных размеров древесных частиц для получения плит с заранее заданными прочностными свойствами при минимальном расходе связующего. Установлены оптимальные условия осмо-ления древесных частиц в производстве плит, а также показана зависимость прочности плит от жесткости применяемых связующих.

Определены рациональные размеры древесных частиц для производства древесностружечных плит марок П-1, П-2 и П-З по ГОСТ 10632-77.

На однооснодсформируемых расчетных моделях с учетом закономерностей деформирования при переменной влажности и температуре иссле^ дованы процессы развития напряжений, возникающих при сушке древесины, упрессовка древесностружечных плит в технологических операциях их облицовывания, а также процессы коробления при отделке и акклиматизации древесностружечных плит.

Разработаны, в рамках линейной теории упругости, методы расчета плоского напряженного состояния, возникающего в начальном периоде сушки древесины.

Исследовано напряженное состояние в пиломатериалах и круглых сортиментах. По результатам проведенных расчетов оценено влияние технологических, структурных и геометрических факторов на величину и характер распределения напряжений, возникающих в начальном периоде сушки древесины.

Разработана методика расчета с применением метода "конечных элементов" напряженно-деформированного состояния при сушке пиломатериалов с учетом закономерностей деформирования древесины. Составлена и отработана программа для реализации данной методики на электронно -еычи ели т ел ь ных маши нах.

Расчеты, проведенные на ЭШ БЭСМ-6 для случаев сушки хвойных (сосна, ель) пиломатериалов, позволили установить характер изменения напряжений и дифференциальной усадки для пиломатериалов различной толщины при сушке стандартными режимами.

Было установлено, что для сушки тонких пиломатериалов (толщиной менее 30 мм) можно применять двухступенчатый режим сушки, первая ступень которого соответствует первой ступени стандартного трехступенчатого режима, а вторая соответствует третьей ступени соответствующего стандартного режима.

Переход на заключительную ступень должен осуществляться при снижении дифференциальной усадки на 20-25$ от ее максимального значения.

Для сушки толстых пиломатериалов (толщиной более 40 мм) подтверждена целесообразность применения трехступенчатых режимов, а переход можно осуществлять при уменьшении дифференциальной усадки на 5-10$ от максимума.

Проведенные в лабораторных и производственных условиях экспериментальные исследования подтвердили основные результаты расчетов. Опытно-промышленная система контроля напряжений при помощи датчиков дифференциальной усадки была опробована на Московском мебельно-сборочном комбинате ММСК-1.

Разработаны экспериментальные метода контроля механических характеристик, используемых в технологических процессах производства древесностружечных плит и сушки пиломатериалов.

Результаты исследований напряженного состояния в образцах при испытаниях на растяжение древесностружечных плит перпендикулярно пласти позволили обосновать изменение размеров образцов, приводящее к упрощению процедуры испытаний. Данное изменение внесено в Государственный стандарт и в стандарт СЭБ на метода испытаний.

По результатам исследований клеящей способности и жесткости связующих разработаны отраслевые стандарты, внедрение которых на предприятиях отрасли позволило повысить качество выпускаемых древесностружечных плит за счет своевременной корректировки технологического процесса при одновременном сокращении расхода связующих.

При экспериментальном определении величины растягивающих напряжений в пласти следует учитывать, что их наибольшее значение в середине пласти больше среднего значения,получаемого из опыта. Поправка, введенная в стандартизированный метод определения остаточных напряжений, получена в результате исследования плоского напряженного состояния.

Разработана технико-экономическая модель для определения технических требований к древесностружечным плитам, обеспечивающих требуемое качество при минимальных затратах на сырьевые компоненты.

Данная модель использована при разработке технических требований к древесностружечным плитам для корпусов цветных телевизоров.

1. Михайлов Н.А. Исследование влияния технологических режимов изготовления древесностружечных плит на прочность при растяжении перпецдпкулярно пласти. Автореферат канд. диссерт. тех.наук. Воронеж. 25 с.

2. Михальченко Т.А. Теоретические основы регулирования упругихи прочностных свойств многослойной телесной фанеры. Авторефер. канд. диссерт. тех.наук. М., 1974. 20 с.

3. Петрухпн Г.Н. Исследование коробления пиломатериалов и изделий из древесины. Автореф. каЕЩ. диссерт, тех. наук. М. I97I. 19 с.

4. Сердюков В.Н. Исследование ползучести и атмосферостойкости древесностружечных плит, применяемых в деревянном домостроении. Автореф. канд. диссерт. тех. наук. М. 1979. 21 с.

5. Шестакова Э.Я. Исследование процесса контактирования древесных частиц при скяеивании древесностружечных плит. Автореф. 1^нд. диссерт. тех. наук. Ленинград. 1973. 19 с.