автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Моделирование процессов движения жидкости в древесине при ее пропитке

1 Ц ДВ 199В

На правах рукописи

Новиков Валерий Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ДРЕВЕСИНЕ ПРИ ЕЁ ПРОПИТКЕ

05.13.16 -Применение вычислительной техники,

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Петрозаводск - 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургской лесотехнической

академии и Петрозаводском государственном университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

академик РАЕН, заслуженный работник науки Российской федерации Патякин В.И.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

академик РАЕН Питухин A.B. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Путилов В.А.,

кандидат технических наук, доцент Тропин В.Ф.

Ведущее предприятие: Карельский научно-исследовательский институт лесной промышленности (КарНИИЛП)

Защита состоится «¿У» 998 года в _ часов

на заседании диссертационного совета К. 063. 95. 05 Петрозаводского государственного университета по адресу: 185640, г. Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан « 2О» ¿'¿'Ло'/Ь^я 1998 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета, _

кандидат технических наук, доценЛ/й

Поляков В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Обеспечение требуемого уровня долговечности заготовок и изделий из древесины - одно из основных направлений повышения эффективности лесопромышленного комплекса. Деревообрабатывающие предприятия являются производителями лесопродукции, и поэтому технологические процессы на этих предприятиях предполагают защитную обработку. Пропитка стала частью современной ресурсосберегающей технологией защитной обработки. Применяемые в производстве способы пропитки предполагают обработку всей поверхности изделия, несмотря на то, что в большинстве случаев достаточна и экономически целесообразна пропитка только уязвимых в момент эксплуатации зон - местная пропитка. Существующие способы местной пропитки малопроизводительны, либо неэффективны, что ограничивает их промышленное применение. Вместе с тем процесс движения защитной жидкости в древесине при её пропитке недостаточно изучен, что сдерживает разработку и внедрение новых способов защитной обработки.

В связи с этим, дальнейшее исследование процессов движения пропиточной жидкости в древесине и разработка более производительного и менее энергоёмкого способа защитной обработки древесины для условий деревообрабатывающих предприятий, представляется весьма актуальной.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование процессов движения жидкости в древесине в результате избыточного давления для прессового и фронтального способов пропитки с целью совершенствования технологии защитной обработки.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Новизной обладают: -предложенная математическая модель процесса движения жидкости в результате избыточного давления при пропитке заготовок и изделий из древесины;

-результаты экспериментальных исследований прессового и фронтального способов пропитки, полученные на их основе зависимости влияния различных факторов на глубину проникновения пропиточной жидкости;

-результаты экспериментальной оценки математической модели на адекватность, значения коэффициентов и метод их определения;

-анализ влияния основных факторов на глубину проникновения жидкости в древесину в результате избыточного давления для прессового и фронтального способов пропитки.

-решение оптимизационной задачи, заключающейся в нахождении минимального значения времени выдержки образца при максимальном значении давления.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ состоит в следующем: -полученная математическая модель процесса движения жидкости в древесине, уравнения регрессии первого и второго порядков, метод определения коэффициентов, входящих в математическую модель, позволяют решать различного рода вариационные и оптимизационные задачи по определению параметров пропитки в зависимости от влияющих на процесс факторов;

-проведена экспериментальная проверка прессового и фронтального способов пропитки, отработана кинематическая схема опытной установки в условиях 467 ЛДК, что позволило в условиях производства убедится в эффективности исследуемого способа защитной обработки древесины;

- На основе алгоритма была построена оптимизационная программная реализация на языке Visual Basic для нахождения минимальных значений исследуемых величин;

-сформулированы методические рекомендации для конструкторских проработок промышленного образца установки по защитной обработки заготовок и изделий из древесины.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Методические рекомендации для расчета параметров оборудования и технологии по пропитке пиломатериалов в результате избыточного давления приняты к внедрению Правобережным деревообрабатывающим комбинатом ПЛПО «Братскгесстрой» и ОАО «Кондопожское лесопромышленное хозяйство».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований отражены в научных отчётах за 1991г. кафедры транспорта леса и гидравлики Санкт-Петербургской лесотехнической академии, доклады-

вались и были одобрены на научно-практических конференциях в Санкт-Петербургской лесотехнической академии, 1990,1991гг., в Братском индустриальном институте, 1991г., в Карельском научно-исследовательском институте лесной промышленности, 1991, 1998г.г., Петрозаводском государственном университете 1991-1998г.г..

Диссертация была доложена на совместном семинаре кафедры промышленного транспорта леса и гидравлики и кафедры прикладной математики и кибернетики, 1998г.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ.

По результатам диссертационной работы на защиту выносится следующее:

1 .Математическая модель движения пропитывающей жидкости в древесине в результате избыточного давления.

2.Регрессионные зависимости глубины проникновения пропитывающей жидкости, полученные на основании экспериментальных исследований.

3.Результаты экспериментальной проверки математической модели на адекватность реальному процессу.

4.Анализ факторов, влияющих на глубину проникновения пропитывающей жидкости.

5.Оптимизационная модель по нахождению минимальных значений влияющих на процесс пропитки факторов.

б.Рекомендаций по применению прессового и фронтального способов пропитки для условий деревообрабатывающих производств.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 167 страниц сквозной нумерации, из них 153 страниц основного текста, 45 рисунков, 35 таблиц, и приложений - 14 страниц. Список литературы содержит 72 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы и основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведён анализ литературы по рассматриваемой тематике. Показана целесообразность разработки эффективного способа местной пропитки. Дан анализ существующих способов пропитки, технологий, оборудования и их применение в промышленности. Рассмотрены перспективные направления поиска новых методов защитной обработки древесины. Обозначены важнейшие факторы, влияющие на процесс проникновения жидкости в древесину в результате действия капиллярных и диффузионных сил, а также давления прикладываемого из вне.

Вопросам теоретических исследований движения жидкости в древесине посвящены работы Ванина С.И., Вихрова В.Е., Лекторского Д.Н., Перелыгина Л.М., Яценко-Хмелевского A.A., Ос-нача H.A., Серговского П.С., Патякина В.И., Базарова С.М., Ха-рук Е.В. и других авторов. Значительный вклад в решение проблемы внесли исследования Сенежской лаборатории консервации древесины, Санкт-Петербургской лесотехнической академии, Московского лесотехнического института. Авторами отмечается, что, несмотря на значительное количество работ в этой области, механизм движения пропитывающей жидкости в древесине под действием различных сил ещё недостаточно изучен. На основании этого сделан вывод о необходимости как теоретических, так и практических исследований новых, эффективных способов защитной обработки древесины.

Одним из перспективных направлений в этой области может стать способ местной пропитки при помощи упругого элемента с системой глухих отверстий заполненных пропитывающей жидкостью, предложенный кафедрой ВТЛ и Г Санкт-Петербургской лесотехнической академии (а.с.№4629369131-15 от 28.07.89).

В ходе предварительных исследований выявлена необходимость дальнейшей проработки двух вариантов: 1.Упругий элемент выполнен в виде плоского элемента -прессовый способ про-

питки (рис.1.а); 2.Упругий элемент выполнен в виде упругого покрытия вальцов -фронтальный способ пропитки (рис. 1.6).

Рис.1 Схема пропитки при помощи упругого элемента с системой глухих отверстий заполненных пропитывающей жидкостью. А-прессовый способ. Б-фронтальный способ.

1-толкатель пресса или прижимной валец; 2-пропитываемая деталь;3-ванна с пропитывающей жидкостью; 4-упругий элемент или упругое покрытие вальца; 5-глухие отверстия, заполненные пропитывающей жидкостью.

Для прессового способа избыточное давление пропитывающей жидкости на контакте с поверхностью древесины создается путем деформации упругого элемента. Высверленные глухие отверстия, имеющие выход в сторону пропитываемой поверхности, предварительно заполняют пропитывающей жидкостью (рис.1.а).

Для фронтального способа нижний валец с системой глухих отверстий, выполненных в упругом покрытии вальца, находится в ванне с пропитывающей жидкостью. Заготовка протягивается между вальцами. В результате возникшей деформации упругого покрытия вальца, в глухих отверстиях возникает повышенное давление по отношению к атмосферному, и пропитывающая жидкость в местах контакта перетекает в древесину. В этом случае пропитка идет по фронту прокатывания вальцов.

Во втором разделе дано описание процессов движения жидкости в древесине в результате избыточного давления для прессового и фронтального способов пропитки. Сформулирована и определена корректность принятия предварительных допущений,

А

Б

необходимых при подходе к математическому описанию процесса. Наиболее существенными из них являются следующие допущения:

• Упругий элемент с системой глухих отверстий, заполненных пропитывающей жидкостью, рассматривается, как двухслойная система. (рис.2б)

а б

Рис.2. Схема пропитки в упругомеханическом поле (а) и принимаемая модель (б). 1-пропитываемый материал; 2-пропитывающая жидкость; 3-упругий элемент.

Рд= РдО) -давление, прикладываемое к упругому элементу; й-высота упругого элемента; Ьу -условная высота упругого элемента с системой тупиковых отверстий; АИ=АИ(0 -величина деформации упругого элемента в результате внешней силы Рд, Х-условная величина слоя пропитывающей жидкости при двухслойной системе; Лх-Ax.it) -условная величина слоя пропитывающей жидкости, перетекшей в поверхность древесины за время V, А8=А8ф-глубина пропитки за время

• Древесина рассматривается, как капиллярно-пористое тело.

• Скорость движения пропитывающей жидкости в древесине в результате избыточного давления подчиняется закону Дарси:

V =

К

д я

А 8

м

сек

О)

где: К -коэффициент фильтрации; А#=#/ - Я? - пьезометри-

ческий напор на границе контакта поверхностей жидкости и древесины; д- координата глубины проникновения жидкости.

• Пропитывающая жидкость рассматривается, как несжимаемая.

• В процессе пропитки не происходит деформации древесины.

• Математическая модель строится для условия одномерной деформация упругого элемента.

Учитывая, что изменение величины деформации упругого элемента в результате внешней нагрузки подчиняется закону Гу-ка, можно записать:

РД = Еу [МПа.] , (2)

Пу

где: Еу - модуль упругости упругого элемента.

Рд

С учётом того, что: Н =- , (3)

Р %

где: р -плотность пропитывающей жидкости; ^-ускорение силы тяжести.

[м.] , (4)

где: I- время протекания процесса.

АХ

А3 = — [м.] , (5)

где: В ¡у -коэффициент воздухоемкости древесины.

ку=к(\-Пу) [м.] , (6)

где: Пу пористость упругого элемента. С учётом вышесказанного формулу (1) можно записать:

к-р л А/г- \_Vdt У^_кЬуВЕ_х- А- щ (7)

Р8 Н{\-Пу\[Ус11 + Х0) сек

где: Х0 = За В№- условная высота сплошного слоя предварительно пропитанной жидкости.

Далее рассмотрены два наиболее характерных варианта изменения величины деформации упругого элемента.

1 .Величина деформации упругого элемента изменяется линейно подчиняясь закону:

Ак = (р{г) = Ь1 [м.] , где: Ь - значение скорости изменения величины деформации упругого элемента.

2. Ак -величина деформации упругого элемента постоянна на определённом промежутке времени.

Обозначив: В = - КЕ,уВ" . (8)

Pgh{l-Пy)

и введя в формулу (7) величину степени предварительной деформации «А»запишем: V = Юх ^ ~ ^—^^ [—]• (9)

[у<Н + Х0 сек

Решая полученные уравнения при различных вариантах протекания процесса пропитки, были получены зависимости: при АН = Ы:

Время пропитки: ? = х(1 + )/1 + ^]±• (10)

Глубину пропитки: д^ _ 2(<Ь±{А + Хо)) Х0 [м ] (11)

' 4Г)

B'{, + f+D при Ah = const:

(А X + X Y

Время пропитки: t---— [сек.] . (12)

DA h

Глубину пропитки: д<5 = [м.]. (13)

pgh{\-Пy) В„

При аналитическом описании процесса пропитки фронтальным способом остаются в силе все предварительные условия и допущения принятые при описании прессового способа.

Отличительными особенностями при фронтальном способе от прессового являются следующие замечания:

-Процесс пропитки перемещается по длине образца.

-Для единичной площади пропитываемой поверхности характерно нарастание избыточного давления пропитывающей жидкости в зоне контакта с упругим элементом от нуля до максимального значения, а затем уменьшается от максимального значения до нуля.

-Величина зоны контакта вальца с пропитываемой поверхностью зависит от степени деформации упругого покрытия, диаметра вальцов, их взаимного расположения относительно друг друга.

-Время контакта вальца с единицей площади пропитываемой поверхности зависит от угловой скорости вращения вальцов.

-Длина зоны контакта упругого покрытия вальца с обрабатываемой поверхностью (Г) определяется:

/ = [м-]» О4)

где: ¿1/гтш:-максимальная величина деформации упругого покрытия, Я- радиус контактирующего вальца.

Время контакта (7):

[сек], (15)

со К

где: со- угловая скорость вращения вальца.

-Скорость изменения величины деформации упругого покрытия для фронтального способа пропитки:

ъ= , А , Ш- 06)

где: УПр -скорость протягивания образца.

Система уравнений (10-16)позволяет математически описывать процесс пропитки для прессового и фронтального способов пропитки в зависимости от свойств упругого элемента, характера и особенностей его деформации, характеристик состояния древесины и пропитывающей жидкости в рассматриваемых интервалах.

В третьем разделе обоснована необходимость экспериментальной проверки полученной математической модели движения жидкости в древесине в результате избыточного давления.

Дано описание созданных в лабораторных условиях установок для прессового и фронтального способов пропитки, с помощью которых проводились экспериментальные исследования.

Представлена методика определения значений коэффициентов и параметров, входящих в математическую модель. Определено их численное значение на различных стадиях процесса.

В качестве исследуемых факторов выбраны наиболее значимые из них. Это: С- коэффициент проницаемости образца; Рмах-величина максимального давления в глухих отверстиях достигаемая в эксперименте; t - время достижения значения максимального давления; tr время выдержки величины максимального давления.

При проведении экспериментальных исследований выбраны режимы пропитки, при которых время равномерного увеличения нагрузки t составляло от 2 до 180 секунд, а время выдержки в различных сериях опытов // - 10, 30, 60, 120, 180 секунд. Величина Рмах - в пределах от 1 до 5 МПа, выбрано с учётом того, чтобы образцы в процессе работы и после снятия повышенного давления не подвергались необратимым изменениям формы и качества. Значение коэффициента проницаемости образца С, определялось согласно существующей методике отдельно для каждой партии образцов, используемых в экспериментальных исследованиях.

Показана методика проведения экспериментальных исследований, планы их проведения.

Получены экспериментальные данные глубины проникновения пропитывающей жидкости при различных режимах проведения эксперимента для прессового и фронтального способов пропитки, для различных образцов. В качестве образцов использовались заготовки берёзы и сосны в тангентальном и радиальном направлениях пропитки.

В четвёртом разделе на основании статистической обработки экспериментальных данных с использованием пакета

8ТАТ18Т1КА6.0, получены регрессионные уравнения первого (17,19,21,23) и второго (18,20,22,24) порядков зависимости глубины пропитки от влияемых на процесс факторов для пород различных образцов.

Берёза, ядро, танггнтальног направление. Абу=0,067554 Ртах+0,001779 / +0,001048 +0,126031+с; (17) /1^=0,053978 Ртах+0,001946 /+0,003046 0-0,000017 I2-- 0,000010 //+ 0,000640 Ртах /-0,000054 Ртах и+0,086561 (18)

Сосна, ядро, тангенталъное направление. А§1=0,067791 Ртох+0,001844/ +0,001029 /, +0,149691+?, (19) ¿1^=0,067060 Ртах+0,002066 /+0,003041 //-0,002686 Ртт2--0,000020 /^-0,000010 // +0,000748 Ртах /-0,000050 Ртах I, + + 0,094741 + е; (20)

Берёза, ядро, радиальное направление. Ад^О,083676 Ртах+0,002133 / +,000738// +0,256356+е, (21) /1^=0,068998 Ртах+0,002915 /+0,002649 /, -0,000026 ** --0,000010 // +0,000876 Ртах /- 0,000118 Ртах /,+0,206849+£у (22)

Сосна, ядро, радиальное направление. Абу=0.084485Ртах+0,002193 / +0,0007411, +0,262537+е. (23) /1^=0,086448 Рида+0,002835 /+0,002898 /у -0,002656 Ртах2--0,000026 С2-0,000009 //+0,000892 Ртах /-0,0000134 Ртах + + 0,188587 + е (24)

Полученные регрессионные уравнения в исследуемых пределах, позволяют сделать выводы о характере влияния параметров на выходную величину. Так, наиболее значимыми факторами являются величина максимального давления Ртах. и значение коэффициента проницаемости С.

Определены и представлены в диссертационной работе суммы остатков отклонения регрессионных моделей от экспериментальных данных, суммы остатков по независимым переменным, остаточные суммы остатков, значения Б статистики. Проверены на значимость коэффициенты регрессии. Показаны стандартные ошибки коэффициентов регрессии.

Сделан вывод о достоверности полученных регрессионных уравнений в исследуемых интервалах. Представлены рекомендации по применению уравнений регрессии для исследования процессов движения жидкости в древесине для прессового и фронтального способов.

На основании данных полученных экспериментальным и теоретическим путём, проведён сравнительный анализ результатов с целью определения адекватности теории и эксперимента. Рис 3.

Рис. 3. Предсказанные и наблюдаемые значения. Обобщённые показатели.

Максимальная стандартная ошибка при сравнении значений полученных экспериментальным и теоретическим путём составляет 5.6%. Стандартная ошибка различия экспериментальных и теоретических данных не превышает 2.1%. Максимальное отклонение не превышает 7%. Вероятность адекватности теории и эксперимента для прессового способа не ниже 86% ,что говорит о соответствии, как экспериментальной базы, так и математического обеспечения для этого способа пропитки в рассматриваемом интервале.

Экспериментальная проверка и анализ статистической обработки представленных результатов позволили сделать вывод о том, что полученная математическая модель и регрессионные уравнения процесса пропитки древесины в результате избыточного давления, с высокой степенью достоверности описывают движение жидкости.

Таким образом, представленная модель может рассматриваться как математический инструмент для исследований в области движении жидкости в древесине в результате избыточного давления. Решения различного рода оптимизационных и вариационных задач. Получения ожидаемых значений определяемого параметра в зависимости от влияющих факторов для различных начальных условий конкретного производства.

Представлены графические зависимости, полученные при помощи пакета МАТНЕМ.220, сделан анализ влияния наиболее существенных факторов на глубину пропитки. Так, например, графические зависимости глубины пропитки от наиболее влияемых факторов: С- коэффициента проницаемости образца; Вп~ коэффициента воздухоемкости образца; Рмах -величины максимального давления в глухих отверстиях; I- времени достижения максимального давления пропитывающей жидкости в глухих отверстиях; //- времени выдержки максимального давления в глухих отверстиях представлены на рис.4 и рис.5.

В разделе рассмотрена оптимизационная задача, заключающаяся в нахождении минимального времени выдержки образца при максимальном давлении. Необходимость решения данной задачи определяется наблюдаемой нелинейной зависимостью переменных задачи в неявном представлении функции, связывающей переменные. Решение задачи основано на использовании программной реализации алгоритма, включающего в себя:

1.Построение модифицированной регрессионной модели, отличной от рассмотренных в разделе, посвященном статистической обработке данных;

2.Использовании метода Монте-Карло для нахождения минимума нелинейной функции.

Рис. 4. Зависимость глубины пропитки АЗ от коэффициента проницаемости С и коэффициента воздухоёмкости Вуу-

Рис.5.3ависимость глубины пропитки А5 от / и Способ пропитки -прессовый. Берёза, ядро, тангентальное направление.

Графические зависимости представлены при значениях Рмах=5 МПа; р = 103 кг/м3; А80 = 0,0001 м.; Пу = 0,02; к = 0,06 м.; ^ = 9,81 м./сек..

Необходимость рассмотрения дополнительной модифицированной регрессионной модели, основанной на обработке экспериментальных данных, обусловлена особенностью постановки

задачи. Оптимизационная задача должна быть разрешима при произвольном значении параметров и для достаточно широкого класса возможных нелинейных функций, появление которых в модели определяется эффектами, влияние которых в области изученных значений параметров приводит к квадратичным зависимостям.

Использование метода Монте-Карло -прямого поиска локального минимума нелинейной функции заданной параметрически, хорошо изучен, и сходимость его может быть оценена апостериори в соответствии с известными методами оценок.

На основе алгоритма была построена программная реализация на языке Visual Basic. Тестовые расчеты, использующие полими-альное представление зависимостей, показали хорошую сходимость оценок оптимального времени выдержки максимального давления со значениями времен в области экспериментально наблюдаемых значений параметров.

В пятом разделе по итогам проведённых экспериментальных исследований на опытном оборудовании в Санкт-Петербургской лесотехнической академии, Петрозаводском государственном университете и работ по отработке кинематической схемы установки в условиях 478 ЛДК, сделан вывод об эффективном использовании фронтального способа пропитки в производственных условиях.

Сформулированы рекомендации для проектирования промышленного образца установки. Предложена схема установки, приведена увязка её для конкретного технологического производства.

При проектировании силового узла установки рекомендован выбор и даны рекомендации по расчёту: диаметра вальцов; их необходимого количества для достижения требуемых параметров пропитки; ширины и толщины слоя упругого покрытия; диаметров сердечников вальцов; типа рекомендуемого эластомера и принципа размещения на упругом покрытии системы глухих отверстий и их размеров. Представлен порядок расчёта расхода пропитывающего состава для предлагаемой установки.

Сделан вывод об эффективности применения разрабатываемого способа защитной обработки заготовок и изделий из древесины в условиях лесозаготовительных производств.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1 .Пропитка заготовок из древесины в условиях деревообрабатывающих предприятий является важным технологическим звеном при защитной обработке.

2.Предложенная математическая модель процесса и представленные на основании статистической обработки регрессионные уравнения, дают возможность рассчитывать параметры процесса в зависимости от влияющих на процесс факторов, решать различного рода оптимизационные и вариационные задачи.

3 .Проведённая статистическая обработка экспериментальных данных позволила сделать вывод об адекватности математической модели реальному процессу.

4.Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что наиболее влияемыми на глубину пропитки являются следующие факторы: коэффициент проницаемости С, модуль упругости упругого элемента Еу, коэффициент воздухоем-кости древесины коэффициент пористости Пу, величина деформации упругого элемента ЛИ, время нагружения / и // время выдержки упругого элемента под нагрузкой, цикличность процесса.

5.При расчете параметров пропитки необходим индивидуальный выбор значений всех коэффициентов, входящих в предлагаемые модели. Методика их определения разработана и представлена в диссертационной работе.

6.Используя математическую модель и уравнения регрессии для расчета параметров, необходимо учитывать, что:

-максимальная степень деформации упругого элемента не должна превышать критических значений, при которых начинаются разрушительные процессы древесины и упругого элемента;

-при расчете количества жидкости, вошедшей в древесину за один цикл пропитки, ее объем не может быть больше, чем суммарный объем глухих отверстий;

-предварительно пропитанную жидкость (предыдущие циклы, другие виды пропитки) в математической модели следует учитывать величиной коэффициента Хо.

7.В условиях деревообрабатывающих производств наиболее эффективно применение фронтального способа, так как его применение не требует существенных изменений технологических процессов обработки древесины. В диссертационной работе сформулированы методические рекомендации для конструкторских проработок промышленного образца установки.

8.Глубину пропитки в производственных условиях можно регулировать величиной деформации упругого покрытия, изменением диаметров вальцов, их количеством и скоростью подачи сортиментов.

9.Использование установок по фронтальной пропитке в зависимости от конкретных производственных условий в 5-7 раз экономичнее при местной пропитке, чем применение в тех же условиях автоклавного способа.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Новиков В.А., Марков В.И., Угрюмов Б.А. Экспериментальные исследования обезвоживания и пропитки древесины повышенной влажности/ Библиографическйй указатель «Депонированные научные работы ВНИПИЭИлеспром», М.: изд. ВИНИТИ, №170-лб.86„ 1986.

2. Новиков В.А., Базаров С.М., Евдокимов Л.И.К обезвоживанию и пропитке древесины в силовом механическом поле/ Библиографический указатель «Депонированные научные работы ВНИПИЭИлеспром». М.: изд. ВИНИТИ, №2568 - лб.89., 1989.

3. Новиков В.А., Базаров С.М., Евдокимов Л.И. К вопросу определения параметров пропитки древесины в силовом упругоме-ханическом поле/ Библиографический указатель «Депонированные научные работы ВНИПИЭИлеспром». М.: изд. ВИНИТИ, №2707-лб.90., 1990.

4.Новиков В.А., Базаров С.М., Евдокимов Л.И.К вопросу пропитки древесины в упругомеханическом поле / Сборник трудов ЛЛТА, Л.: издЛЛТА, 1990, 13с.

5.Новиков В.А. Исследование процессов пропитки древесины в силовом упругомеханическом поле/ Тезисы докладов научно-практической конференции лесотехнических вузов. - Братск, 1991, с.44-45.

6.Базаров С. М., Евдокимов Л.И., Новиков В.А. Обоснование технических требований для ТЗ на установку прессовой пропитки древесины / Сборник трудов лесотехнической академии. Л.: изд-ЛЛТА, 1990, 25с.

7.Новиков В.А. Определение выходных параметров при защитной обработке изделий из древесины в упругомеханическом поле / Сборник трудов ЛИФ ПТУ. Выпуск 1 // Петрозаводский гос. ун-т; Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ; 1997.

8.Новиков В.А. Определение параметров пропитки изделий из древесины в упругомеханическом поле / Библиографический указатель «Депонированные научные работы». М: изд. ВИНИТИ, №2287-В98,1998.

Печатается по разрешению специализированного совета К.063.95.05 при Петрозаводском государственном университете. Подписано к печати/<3. У/.98. Формат 60x84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Уч. -изд.л. 1,0. Тираж 70. Изд. № У 6 О Издательство Петрозаводского государственного университета 185640, Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33

> , *

»

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НОВИКОВ ВАЛЕРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ДРЕВЕСИНЕ ПРИ ЕЁ ПРОПИТКЕ

05.13.16 -Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, профессор, академик РАЕН, заслуженный работник науки Российской федерации В.И.Патякин

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ доктор технических наук, профессор, академик РАЕН А.В.Питухин

Петрозаводск 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДНИЕ..........................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВНИЙ.

1.1. Анализ способов пропитки древесины....................................8

1.2. Факторы, влияющие на процесс пропитки, и зависимости

для определения параметров процесса....................................................19

1.3.Цели и задачи исследований..............................................................27

2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПРОПИТКИ В УПРУГОМЕХАНИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

2.1. Описание процесса пропитки...........................................................32

2.2. Разработка математической модели процесса пропитки прессовым способом.................................................................................36

2.3. Особенности математической модели процесса пропитки фронтальным способом............................................................................54

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОВЕРКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

3.1. Целесообразность экспериментальной проверки...........................61

3.2.Анализ параметров, входящих в математическую модель и определяющих процесс пропитки...........................................................61

3.3.Методика проведения экспериментальных исследований прессового способа пропитки...................................................................70

3.4.Методика проведения экспериментальных исследований фронтального способа пропитки..............................................................77

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ.

4.1. Сравнение теоретических и экспериментальных данных..............85

4.2. Исследование характера и степени влияния основных факторов

на глубину пропитки прессовым способом...........................................105

4.3. Исследования особенностей влияния основных факторов

на глубину пропитки фронтальным способом.......................................111

4.4.Построение оптимизационной модели по определению параметров процесса пропитки...................................................116

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕССОВОГО И ФРОНТАЛЬНОГО СПОСОБОВ ЗАЩИТНОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК И ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ.

5.1. Описание опытной установки для осуществления фронтального

способа пропитки.....................................................................................123

5.2. Методические рекомендации по проектированию и расчету параметров процесса...............................................................................127

5.3. Выбор защитного средства. Расчет расхода пропитывающего состава.......................................................................................................136

5.4. Расчет экономической эффективности применения фронтального способа пропитки...........................................................................139

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.......................................143

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................145

ПРИЛОЖЕНИЯ

Результаты экспериментальных исследований по основной серии опытов.

Прессовый способ пропитки.

Приложение 1. Берёза, ядро, тангентальное направление........................150

Приложение 2. Сосна, ядро, тангентальное направление......................151

Приложение 3. Берёза, ядро, радиальное направление......................152

Приложение 4. Сосна, ядро, радиальное направление..........................153

Фронтальный способ пропитки. Приложение 5. Берёза, сосна, тангентальное,

радиальное направления............................................................154

Ожидаемые результаты исследований для математической модели.

Прессовый способ пропитки.

Приложение 6. Берёза, ядро, тангентальное направление........................155

Приложение 7. Сосна, ядро, тангентальное направление......................156

Приложение 8. Берёза, ядро, радиальное направление......................157

Приложение 9. Сосна, ядро, радиальное направление..........................158

Фронтальный способ пропитки. Приложение 10. Берёза, сосна, тангентальное и радиальное

направления.................................................................................159

Приложение 11. Текст варианта программы «ОПТИМУМ»...............160

Приложение 12.Справка о внедрении результатов диссертационной работы.........................................................................................168

ВВЕДЕНИЕ

Стратегический курс России в условиях существенного спада производства предусматривает, прежде всего, создание условий, которые бы стимулировали возможность стабилизации положения в промышленности и закладывали бы основу для повышения темпов экономического роста.

Важнейшей задачей в этой области является рациональное использование сырьевых ресурсов, в том числе и лесосырьевых [1].

Однако в России при существующих нормах расхода древесины и непростом положении, сложившемся во всех областях народного хозяйства, древесных материалов не хватает даже при самой жесткой экономии. Поэтому как никогда остро стоит задача увеличения сроков службы заготовок и изделий из древесины.

В новых экономических условиях лесозаготовительные и лесоперевалочные предприятия становятся производителями лесопродукции и поэтому технологические процессы на этих предприятиях предполагают защитную обработку заготовок и изделий из древесины.

Актуальность темы. Пропитка является неотъемлемой частью современной ресурсосберегающей технологии защитной обработки древесины. Большинство способов пропитки предполагают обработку всей поверхности заготовок и изделий из древесины. Однако на практике в большинстве случаев с целью защиты древесины достаточна пропитка только наиболее уязвимых зон (местная пропитка), что целесообразно как с точки зрения снижения энергоемкости процесса, так и с точки зрения экономии пропитывающего состава.

Существующие в настоящее время способы местной пропитки малопроизводительны в силу малой эффективности применяемых способов, например, капиллярной и диффузной пропитки. Способ инъекции, предполагающий местную пропитку под давлением через отверстия или пустотелые иглы (сверла), целесообразен лишь в случае глубокой местной пропитки. Для достижения расчетного содержания защитного средства при способе нанесения на поверхность требуется многократная обработка поверхности. Так, по нашим расчетам для удержания при антисептировании защитного средства ХМ-11 требуется трехкратная обработка кистью или пятикратное опрыскивание. Согласно ГОСТ 200220-82 [2], удержание защитного средства должно составлять 0.04 г/см раствора. Согласно ГОСТ 200229-76 [3], удержание защитного слоя при нанесении кистью должно составлять 0.012 г/см, при опрыскивании 0.008 г/см. С учетом необходимого времени для обеспечения впитывания между циклами можно сделать вывод о низкой производительности наиболее часто используемых способов пропитки.

Способы защиты древесины, основанные на применении стационарных силовых полей (в основном барического поля), неэффективны из-за высокой энергоемкости и низкой производительности.

Проведённый анализ литературы по защитной обработке древесины показал, что ускорить процесс пропитки можно, если поместить обрабатываемую заготовку из древесины в нестационарное поле (звуковое, ультразвуковое, электрогидравлическое, магнитное, электромагнитное, механическое). Так, ультразвуковое поле увеличивает интенсивность пропитки в 2-3 раза, электрогидравлическое - в 5-10 раз. Это свидетельствует о том, что применение нестационарных полей является перспективным. Однако их широкое применение на практике сдерживается из-за недостаточной изученности процессов движения жидкости в древесине под действием нестационарных полей.

В связи с этим в данной работе ставится задача обоснования и разработки более производительного и менее энергоемкого способа местной пропитки заготовок и изделий из древесины в силовом механическом поле с целью повышения их физико-механических свойств. С рассматриваемых позиций данная работа является актуальной.

Цель работы. Изучение процессов движения жидкости в результате избыточного давления. Совершенствование технологии защитной обработки заготовок и изделий из древесины путем разработки способов местной пропитки и внедрения методики расчета параметров процесса в производство.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса движения жидкости в упругомеханическом поле, методика и экспериментальная оценка на адекватность математической модели. Обоснованы и разработаны прессовый и фронтальный способы пропитки. Установлены закономерности степени влияния свойств древесины, пропитывающей жидкости, упругого элемента, пропиточного оборудования на скорость и глубину пропитки. Решена оптимизационная задача, заключающаяся в нахождении минимального значения времени выдержки образца при максимальном значении давления.

Практическая ценность работы. Аналитические и графические зависимости, полученные в результате научных исследований позволяют обосновать предложенный способ пропитки древесины, установить наиболее эффективные параметры процесса пропитки с целью улучшения защитных свойств и физико-механических характеристик заготовок и изделий из древесины.

Разработан технологический процесс пропитки древесины в упругомеханическом поле при помощи упругих вальцов, отработана в условиях производства кинематическая схема установки, предложена методика расчета параметров процесса пропитки в упругомеханическом поле в зависимости от основных факторов, позволяющая производить расчет параметров оборудования для пропитки заготовок и изделий из древесины.

На основе алгоритма была построена оптимизационная программная реализация на языке Visual Basic для нахождения минимальных значений исследуемых величин.

Сделан вывод о целесообразности применения прессового и фронтального способов пропитки как обеспечивающих высокую производительность про-

цесса пропитки древесины в условиях лесозаготовительных и лесоперевалочных предприятий.

Апробация работы. На Чунском леспромкомбинате № 478 отработана кинематическая схема опытного оборудования. Разработаны и выданы рекомендации на проектирование и применение технологии и оборудования для пропитки. Предложенные рекомендации приняты при разработке оборудования и технологии по пропитке пиломатериалов Правобережным деревообрабатывающим комбинатом ПЛПО "Братскгэсстрой" и ОАО «Кондопожское лесопромышленное хозяйство».

Результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях в Санкт-Петербургской Лесотехнической академии в 19891991 гг., Братском индустриальном институте в 1990-1991 гг., Петрозаводском Государственном Университете 1991-1998 гг.

По результатам работы опубликовано 8 печатных работы и тезисы выступлений на конференциях.

По результатам диссертационной работы на защиту выносится:

1 .Математическая модель процесса движения жидкости в древесине в результате избыточного давления.

2.Результаты теоретических и практических исследований процессов движения жидкости в древесине. Оценка теоретических данных на адекватность реальному процессу.

3. Экспериментальные и модельные характеристики пропитки древесины в упругомеханическом поле в зависимости от основных факторов.

4.Результаты исследований характера и степени влияния основных факторов на глубину проникновения жидкости в древесине.

5.Оптимизационная модель по нахождению минимальных значений влияющих на процесс пропитки факторов.

6. Методические рекомендации по проектированию и расчету параметров пропитки и оборудования по защитной обработке заготовок и изделий из древесины в упругомеханическом поле.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка используемой литературы, наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на ... страницах машинописного текста, иллюстрировано ... рисунками и ... таблицами. Приложение включает в себя ... страниц машинописного текста и ... таблиц.

Автор выражает благодарность за научные консультации при проведении исследований к.т.н. Базарову С.М., к.т.н. Евдокимову Л.И., к.ф.-м.н. Ефло-ву В.Б..

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ способов пропитки древесины.

Древесина обладает редкостным сочетанием ценных свойств. Этим объясняется ее широкое и многообразное применение в различных отраслях народного хозяйства. Однако древесина, а также изделия и заготовки из нее имеют и ряд существенных недостатков, которые необходимо учитывать при использовании древесины. Это - неоднородность строения, анизотропия, изменчивость свойств, наличие пороков, способность усыхать, разбухать, коробиться, растрескиваться. Самым существенным с точки зрения практики недостатком является ее сравнительно невысокая стойкость против влияния окружающей среды (см. таблицу 1.1). Поэтому для увеличения срока службы заготовок и изделий из древесины необходимо применять защитную обработку. Под защитной обработкой понимается совокупность мероприятий по сохранению и улучшению эксплуатационных и потребительских свойств древесины.

Таблица 1.1.

Классы стойкости против гниения основных пород.

Класс Порода древесины

заболонь ядро

Стойкие обыкновенная сосна, ясень сибирская сосна (кедр), лиственница, обыкновенная сосна, дуб, ясень

Среднестойкие ель, сибирская сосна (кедр), лиственница, пихта ель, пихта, бук

Малостокие береза, бук, вяз, граб, дуб, клен вяз, клен

Нестойкие липа, ольха, осина береза, липа, осина, ольха

Пропитка является надежным средством продления службы изделий из древесины. Пропитанная древесина значительно лучше по своим физико-механическим свойствам, чем непропитанная.[3] Кроме того, в результате пропитки происходит стабилизация размеров изделий из древесины, увеличивается срок эксплуатационной службы.

Из различных технологических целей пропитки наибольшее значение имеют консервирование и огнезащита древесины [4]. При консервировании в целях повышения ее стойкости к поражению дереворазрушающими грибами и насекомыми в древесину вводят защитные вещества.

При огнезащите древесину пропитывают специальными огнезащитными составами.

В ряде случаев пропитку используют для придания древесине определенных физических свойств в направлениях, желательных для тех или иных

конкретных условий ее практического применения. Например, для глубокого окрашивания, повышения электрического сопротивления, электрической прочности, придания ей гидрофобных свойств и т.д.

Выбор оборудования в условиях производства зависит, в конечном счете, от используемого способа пропитки древесины и технологических возможностей данного предприятия.

Процесс пропитки характеризуется величиной общего поглощения, скоростью пропитки и количеством защитного состава, удерживающегося в материале после прекращения процесса пропитки. Все эти величины зависят от ряда факторов, наиболее существенными из которых являются порода, анатомическое строение и структура древесины, свойства пропиточной жидкости и способа пропитки.

Все применяемые ранее и используемые в настоящее время способы пропитки в зависимости от физического явления процесса условно разделяют на три группы: способы капиллярной пропитки, способы диффузионной пропитки, способы пропитки под давлением. Условность классификации состоит в том, что, как считает Горшин С.Н. [5], при любом способе пропитки проявляют себя и капиллярная, и диффузионная, и гидравлическая составляющие процесса проникновения в древесину пропитывающего вещества.

Кроме того, указанные способы пропитки можно подразделить на две подгруппы: пропитка под давлением выше атмосферного и пропитка при атмосферном давлении. Возможно деление по набору технологических приемов пропитки, используемому оборудованию. В технической литературе даются различные его варианты.

Самый простой и наименее эффективный способ - это пропитка нанесением раствора на поверхность заготовки или изделия из древесины. В зависимости от производственных условий существуют следующие варианты такой пропитки: опрыскивание, окунание в раствор, обработка кистью. Дополнительно к капиллярным силам при опрыскивании действует динамический напор струи, при окунании, соответственно, гидростатическое давление, при обработке кистью - эффект втирания раствора в открытые полости клеток и трещин.

Способ поверхностного нанесения является самым дешевым по технологии, однако, он не обеспечивает качественной обработки древесины. Глубина пропитки в зависимости от породы дре�