автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Использование маломерной древесины в производстве паркетных щитов и точеных изделий

и ■ - , /*

Воронежская государственная лесотехническая

академия

На правах рукописи Филонов Александр Андреевич --_

Использование маломерной древесины в производстве паркетных щитов и точёных изделий

Специальность 05. 21. 05 - Технология и оборудование

деревообрабат ывающих производств, древесиноведение

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор Петровский В.С.

Воронеж - 1998

Оглавление.

Стр.

Введение.................................................................................. 6

Глава 1. Состояние вопроса и выбор направлений исследований........................................................................... 12

1.1 .Основные направления использования маломерной и низкосортной древесины на современном этапе............................... 12

1.2. Конструкции и способы изготовления паркетных покрытий. 24

1.3. Анализ существующих конструкций паркетных покрытий... 35

1.4. Обоснование и выбор рациональных конструкций паркетных покрытий................................................................................ 39

1.5. Принципиальные технологические схемы переработки маломерного сырья в точёные детали и паркетные изделия.. 43

1.6. Состояние технологиисуипси лесоматериалов.......................... 49

1.7. Пути обеспечения стабильности размеров и свойств древесины........................................................................................ 62

1.8. Состояние технологии склеивания торцевых поверхностей.:. 70

1.9. Основные задачи и направления исследований........................ 80

Глава 2. Исследование и разработка режимов сушки тонкомерных лесоматериалов круглого сечения в паровоздушных сушильных камерах.................................... 82

2.1. Разработка математической модели процесса сушки тонкомерных лесоматериалов круглого сечения в конвективных паровоздушных камерах................................................................ 82

2.2. Реализация математической модели........................................... 98

2.3. Проверка адекватности математической модели..................... 102

2.4. Анализ напряжённого состояния сортиментов круглого сечения в процессе сушки.............................................................. 109

2.5. Анализ безопасных значений степени насыщенности сушиль-

ного агента на первой ступени режима...................................... 115

2.6. Анализ безопасных значений степени насыщенности сушильного агента на второй и третьей ступенях режима..................... 119

2.7. Выбор режимов сушки лесоматериалов круглого сечения...... 122

2.8. Выводы............................................................................................. 135

Глава 3. Исследование интенсивных способов сушки заготовок для точёных деталей и торцевого паркета...........137

3.1. Теоретические предпосылки к исследуемому вопросу..............137

3.2. Экспериментальная проверка интенсивных способов сушки заготовок...........................................................................................145

3.2.1. Результаты опытной сушки заготовок диэлектрическим способом.........................................................................................145

3.2.2. Результаты опытной сушки заготовок способом локального нагрева.......................................................................................... 148

3.3. Выводы...............................................................................................156

Глава 4. Стабилизация размеров и формы конструктивных

элементов паркетных щитов с лицевым покрытием

из торцевых плашек......................................................157

*4.1. Теоретический анализ механизма поведения конструктивных элементов щитового паркета с лицевым слоем из торцевых плашек в процессе их эксплуатации..............................................157

4.2. Определение оптимальной толщины основания.........................167

4.3. Выбор пропиточных составов........................................................171

4.4. Разработка оптимального режима пропиткики..........................179

4.4.1. Программа и методика исследований........................................179

4.4.2. Планирование экспериментов.....................................................185

4.4.3. Методика проведения испытаний...............................................185

4.4.4. Результаты исследований.............................................................188

4.5. Выводы...............................................................................................211

Глава 5. Исследование процесса приклеивания лицевого слоя

из торцевых плашек к основанию щита........................213

5.1.Влияние микрогеометрии поверхности на формирование клеевого шва при склеивании лицевого слоя из торцевых плашек с основанием щита..............................................................................213

5.1.1. Фактическая площадь контакта на границе контактирующих фаз............................................................................................213

5.1.2. Определение объёма клеевой прослойки и пустот на границе контакта..........................................................................................224

5.1.3. Определение теоретического расхода клея................................227

5.2. Экспериментальные исследования процесса приклеивания лицевого покрытия к основанию...................................................228

5.2.1. Общая методика исследований...................................................228

5.2.2. Разработка рецептуры клея.........................................................231

5.2.3. Влияние продолжительности склеивания и количества отвердителя в клее на прочность склеивания...........................237

5.2.4. Влияние режима выдержки заготовок после пропитки олигомером на прочность склеивания.......................................241

5.2.5. Влияние удельного расхода клея на прочность приклеивания лицевого покрытия к основанию щита......................................244

5.3. Выводы...............................................................................................253

Глава 6. Внедрение в производство и экономическая эффективность научных разработок............................................256

6.1. Внедрение технологии изготовления паркетных щитов с лицевым покрытием из торцевых плашек на ООО "Опытный

деревообрабатывающий завод Автон - 9"....................................256

6.1.1. Расчёт экономического эффекта от сокращения расхода

сырья.............................................................................................. 260

6.1.2. Расчёт экономического эффекта от сокращения трудовых затрат..............................................................................................262

6.1.3. Расчёт экономического эффекта от сокращения энергетических затрат.................................................................................263

6.1.4. Расчёт экономического эффекта от сокращения расхода инструмента...................................................................................264

6.2. Внедрение технологии изготовления точёных деталей из тонкомерных лесоматериалов........................................................267

6.2.1. Расчёт экономического эффекта от сокращения расхода сырья на изготовление точёных деталей....................................268

6.2.2. Расчёт экономического эффекта от сокращения трудовых затрат на изготовление точёных деталей..................................269

6.2.3. Расчёт экономического эффекта от сокращения энергетических затрат при изготовлении точёных деталей...................271

6.3. Внедрение клеевой композиции при склеивании крышек столов в АОЗТ НПП "Тандэм"..................................................................272

6.4. Внедрение конструкции паркетного щита в проектирование жилых и гражданских объектов....................................................273

6.5. Внедрение научных разработок в процесс подготовки специалистов....................................................................................273

Заключение..........................................................................274

Библиографический список................................................277

Приложения.........................................................................293

Введение

Актуальность темы На современном этапе развития лесного комплекса остро встает вопрос о необходимости широкого использования комплексной переработки сырья, ресурсосберегающей техники, малоотходных и энергосберегающих технологий, вовлечения в производство новых видов сырья и материалов. В условиях нарастающего дефицита в древесине внимание научных организаций все больше привлекают ресурсы, так называемой, маломерной древесины, которая включает тонкомерную древесину, получаемую при рубках главного . пользования и рубках ухода,, лесоматериалы из низкоствольных порослевых насаждений, отходы лесозаготовок в виде сучьев, вершин и т.п.

Согласно статистическим данным, на долю тонкомерного сырья диаметром менее 14 см приходится около 30 % от общего объёма перерабатываемой древесины Значительный объём древесины приходится на крупномерные сучья. При вывозке деревьев количество сучьев и тонких вершин, поступающих на нижние склады, составляет для сосны 7%, берёзы 5%. объёма вывезенной древесины

Современные технологии предусматривают переработку маломерной древесины на технологическою щепу, однако опыт работы ряда леспромхозов и расчеты, проведенные Белорусским технологическим институтом, дают основание утвфждатъ, что переработка ее на другие виды продукции, в частности товары народного потребления, в 10-15 раз эффективнее. Для улучшения экономических показателей

использования древесного сырья необходимо иметь определённый набор вькхжоэффективных технологических решений, обеспечивающих переработку различных видов маломерной древесины и древесных отходов.

Целью работы являются проведение теоретических и экшфиментальных исследований, научных разработок для создания комплекса, технологий и оборудования, обеспечивающих эффективную

переработку тонкомерной и низкокачественной древесины в строительные детали и товары народного потребления.

Объекты и задачи исследования.

Объектами исследований явились паркетные щиты с лицевым покрытием из торцевых плашек и точёные детали. В диссертационной работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований с применением математического моделирования и оптимизации процессов сушки, пропитки и склеивания древесины При проведении экспериментальных исследований применялись униформротатабелшые и симплекс-решетчатые планы

Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики с использованием ЭВМ.

Основная часть исследований проводилась в рамках раздела Российской инновационной программы 13.4 "Воспроизводство и комплексное использование растительного древесного сырья в Европейской части России" по проекту ВГЛТА "Р&зработка новых технологий, оборудования и линий для производства паркетных и плитных материалов из низкосортной древесины и отходов" ( 1993 - 1995 г) под руководством автора

Научная новизна результатов исследований.

- Разработан математический аппарат для расчёта внутренних напряжений и полей влажности в лесоматериалах круглого сечения при сушке в паровоздушных камерах, отличающийся учётом особенностей характера развития напряжений в лесоматериалах круглого сечения.

- Предложен способ сушки короткомерных заготовок с применением локального нагрева защищенный патентом РФ № 2061935.

- Матемапиеский аппарат расчёта критических значений перепада влажности, вьвывающих прогиб паркетных щитов в условиях эксплуатации,

отличающийся использованием модели щита в виде балки разнородной упругости.

- Получены математические зависимости для расчёта оптимальных параметров режима пропитки древесины применительно к составу на основе синтетического каучука олигогшпериленового (СКОП).

- На основе профююграмм торцевой поверхности древесины предложена её геометрическая модель, отличающаяся введением параметров, характеризующих её адекватность реальной и сделано математическое описание её микропрофиля.

- № базе предложенной геометрической модели разработана теория расчёта фактической площади контакта, объёма пустот нн границе контакта и расхода клея при склеивании торцевых поверхностей модифицированной древесины

- Способы изготовления торцовых плашек для лицевого слоя паркетных щитов, защищены патентами РФ №2096171, №2104150 и ас. № 97112601.

Практическая значимость.

- Разработаны рациональные режимы сушки сосновых, берёзовых и дубовых тонкомерных лесоматериалов круглого сечения, исключающие их растрескивание.

- Предложена методика расчёта и номограммы для определения оптимальных соотношений размеров конструктивных элементов паркетных щитов, обеспечивающих их формоусюйчивость при эксплуатации.

- Подобран модификатор и определены оптимальные режимы пропитки торцевых плашек, обеспечивающие формоустойчивость паркетных щитов в процессе эксплуатации.

- Методика расчёта оптимального расхода клея при склеивании торцевых поверхностей модифицированной древесины, обетечивающего прочность склеивания, регламентируемую действующим ГОСТ 862.4-87.

- Разработаны технические условия на паркетные щиты с лицевым слоем из торцевых плашек и подготовлена технологическая инструкция для освоения их массового выпуска на дфевообрабатывающих предприятиях

-Создан проект и изготовлена установка на базе однокривопшпного

пресса К230 для выштамповки плашек из торцовых срезов древесины.

Реализация работы Основные результаты работы внедрены на нескольких промышленных предприятиях, в проекшо-консгрукторской организации и в учебном процессе ВГЛТА при подготовке инженеров-технолэгов специальности 002602.

В Воронежском ООО 'Опытный деревообрабатывающий завод Автон-9" внедрена технология изготовления паркетных щитов с лицевым покрытием из торцевых дубовых плашек, пропитанных раствором на основе СКОП

В Воронежском ОАО "Пластмасс" внедрена технология изготовления точеных балясин и столбов для жстничных перил из тонкомерных березовых лесоматериалов круглого сечения, вьюушенных по предложенным режимам.

В АОЗТ НЛП 'Тандем" при склеивании крышек столов, облицованных торцовыми срезами древесины, внедрена предложенная автором технология.

Воронежским проектно-конструтсгоркжим бюро "Вектор-б" разработанный вариант покрытия пола паркетными щитами с лицевым споем из торцевых плашек использован в проектах торгового комплекса и комплекса здшдагстративно-шотых зданий.

Основные положения диссертации используются при чтении лекций по дисциплине "Стандартное домостроение". Фрагменты работы включены в учебное пособие "Основы проектирования деревообрабатывающих производств", Воронеж, год-во ВГУ, 1988г.-295 с. В период с 1995 года по тематике проектирования участков изготовления паркетных щитов с лицевым споем из торцевых плашек защищаются дипломные проекты

Достоверность научных положений и выводов подтверждается адекватностью математических моделей, совпадением результатов, полученных теоретическими расчётами и экспериментальным путём, позитивными результатами при внедрении технологии в производство.

Научные положения, защищаемые автором

- Научное обоснование принятой конструкции паркетного щита и технологии его изготовления.

- Математический аппарат для расчёта полей вшжности и

внутренних напряжений при сушке лесоматериалов круглого сечения.

- Новый способ сушки корожомерных заготовок с использованием

локального нагрева и закономерности возникающих явлений

тешюмассопереноса.

- Теория численных расчётов критических значений перепада влажности, вьвывающих прогиб паркетных щитов при их эксплуатации, и оптимальных соотношений толщин основания и лицевого слоя.

- Геометрическая модель торцевой поверхности древесины и математическое описание её микропрофиля.

- Математический аппарат численного расчёта фактической площади контакта, объёма пустот на границе контакта и расхода клея при склеивании торцевых поверхностей древесины

Апробация работы Материалы диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях ВГЛГА в г.Воронеж в 1990-1998 г., на международной конференции в г. ГЪзнань в 1993 г., на международной конференции в г. Томск в 1995 г., на Всероссийской конференции в г. Воронеж в 1998 г.

Личный вклад автора заключается в формулировке общей идеи использования маломерной древесины, определении проблемы, выполнении теоретических и эксперимеитальных исследований по разработке технологии сушки, пропитки и склеивания, методов расчёта критических перепадов влажности и оптимальных соотношений размеров паркетного щита, геометрической модели торцевой поверхности древесины, её математическом описании, обобщении и ишерпретации результатов, в проведении прикладных научно-техюиеошх разработок и внедрении их в практику.

Публикации. Материалы диссертации изложены в 36 научных публикациях, в том числе 2 монографиях и 4 патентах на изобретение.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, шести глав, изложенных на 292 страницах машинописного текста, и 12 приложений, содержит 77 рисунков, 31 таблицу, список использованной лигературыиз 161 наименований.

В работе использованы результаты исследований, выполненных в период с 1974 по 1998 годы в Воронежской государственной лесотехнической академии. Решения отдельных частных задач диссертационной работы получены автором совместно с С. С. Глазковым и аспирантами автора А Н Чернышевым, А И Тарасовой.

Глава I. Состояние вопроса и выбор направлений

исследований. 1.1 Основные направления использования маломерной и

низкосортной древесины на современном этапе.

Одним из важнейших направлений при решении проблемы использования маломерной и низкосортной древесины на сегодняшний день является переработка ее на технологическую щепу для целлюлозно-бумажной промыш