автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Сопротивляемость и деформативность композиционного материала на основе древесины при изгибе



з ЦОА

Па правах румпппси

БУХОИОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ

КОМПОЗИЩЮННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ

ПРИ ИЗГИБЕ

Специальность: 05.21.05 «ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ, ДРЕВЕСИНОВЕДЕНИЕ»

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 1998

Работа выгюлмсма и Воронежском п>сулареткенний ,ieeoтехнической на кафедре сопротивления материалов и георегнческой механики

акалем

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки РФ, академик Р.-\Ы1.

доктор технических наук, профессор Харчевников В.И.

Ведущая организация - Теллермановское опытное лесничество Института

Защита состоится «24» декабря 1998 г. в «10» часов на заседании диссерта-' иионного совета Д 064.06.01 в Воронежской государственной лесотехнической академии по адресу:

394613 г, Воронеж, ул. Тимирязева, д.8, ВГЛТА, зал заседаний - ауд. 118.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан «_»_1998 г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Ша.маев В.А.

кандидат технических наук, доцент Залан Л.М.

лесоведения Российской академии наук

Ученый секретарь диссертационного

совета д.т.н., профессор, академик РАЕН

Курьянов В.К.

■•ОГ.ШЛИ ХАРАКТЕРИСТИКА 1* л ноты

Лпуг.ытсгь работы основывается тем. что Российская Федерация Располагает самой большой в протяженностью железных дорог, по которым осуществляется более 50% грузоперевозок. При довольно медленном освоент. герриторин России сетью автомобильных дорог такое положение в олижашш.е

лесятилетия останется неизменном. _ _

' Лесовозный железнодорожной транспорт, в частности, представляет сооои

важную фа^ производственного процесса лесозаготовок. На его долю

приходится более 15% объема*, вывозимой. древесины и оолее ее

себестоимости. <

Эффективность его работы . в значительной степени определяется

транспорт,,«- эксплуатационным уровнем, приспосооленностью к перевозкам

лесных тузов условиями эксплуатации, безопасностью движения, зависящем от

состояния пути, т.е. от физико-механических свойств материала шпал.

Наибольшее распространение в практике развития мировом сети железных

,ооог получили деревянные шпалы, которые составляют в настоящее время около

80% верхних утроений путей. Остальное приходится на долю железооетонных

Нормативные сроки службы деревянных „шал, пропитанных антисептиками, <отавляет 14...25 лет, но, в связи с интенсификацией грузопотоков и

шпал.

рматив

14...25 лег, но, в связи с ч'-етичением чафузок и скоростей, он снижается до 8 10 лет, следовательно объем шиалошшения в ближайшие 15...20 лет в РФ оудут составлять ,0 .млн.

т.е. более 9.3 млнЛ«1 по сырью, что вряд ли выполнимо из-за

ой вырубки де[

(

ппук в год, Т.е. оолее y.J млм.м пи

практически полной вырубки деревьев возраста 80-100 лет в доступных лесных

'"^альтернативный дереву и; железобетону для железнодорожных шпал в МГЛТ-Ч созлзн новый древесно1"гекл о волокнистый композиционный материал (ЛСВКМ) на' фурфуролацетононой смоле ФАМ, армирующим дополнителен которого являе^я древесная шеуа с длиной элементов 150...2G0 мм, а физико-механические характеристики близки аналогичным характеристикам древесины, хотя величины последних, приводимые в справочной литературе, весьма разноречивы что обьяснм-Ься несовершенством существующих в древесиноведении методик. Размотанный материал признан пригодным для использования в железнодорожных шпалах Всероссииским научно исслечовагельски.м институтом^ железнодорожного транспорта (ВННИЖТ) и мп'с'рф Отнако специалистами'-МПС было высказано мнение о необходимости исследования ДСВКМ на ползукстъ. желательности повышения аосолютного значения предела прочное,и при изгпое и, для ооеспечения конкурентноспособности, - еншфие цены шпалы, что и определило актуаль-

HocTi. представленной работы. ;

Кроме плана НИР ВШШЖТ. пкеертацпя выполнялась в соответствии с планами ВГЛТА и I leinРал.л.о-Ч Vnoумного отделения наук о лесе PALM.

Целью исследований явилось гю.чумспие достоверных характерно гп прочности и жесткости ДСВКМ как при кратковременном, так и при длительно действии постоянных изгибающих шпручок на копен заданного ерш эксплуатации железнодорожных шпал, брусьев стрелочных переводов н мое101 в том числе лесовозных дорог.

Объект исследований - древесностекловолокннстый композиционны материал, получаемый на основе отходов лесного комплекса.

Научная новизна и отличительные особенности результатов , полученных в диссертационной работе лично автором, вносят вклад.в теорию и практик обоснования возможности применения новых композиционных материалов (К\ на основе древесины в элементах верхних строений путей лесовозных и общег назначения железных дорог и состоят в следующем :

- впервые установлено, что при ступенчатом нагружении вручную выдержке образца на каждой ступени под нагрузкой в ДСВКМ возникают н только релаксационные процессы, но и ползучести, что позволяет получит величины условных пределов пропорциональности и упругости и соотве: ствующие им прогибы;

- предложена, а затем и подтверждена экспериментально, концепция о то\ что в ДСВКМ как при кратковременных испытаниях с малой скорости нагружения, так и при длительных, возникают четыре вида деформаций упругие, вязко-высокоэластические и пластические, что сказывается на вида диаграмм разрушения и кривых ползуч-сти. Последние до предела проиор циональности носят условно затухающий характер, до предела упругости установившейся с малой скоростью деформирования, а . после него - незат\ хающий, приводящий к достаточно быстрому разрушению, образцов ;

- разработана новая методика прогнозирования величин предела длительно! сопротивления и секущего длительного ^модуля деформаций на конец заданно! срока эксплуатации, основанная на знании величины полного-упругого прогиба времени, при котором он достигается образцами при различных величина постоянных изгибающих нагрузок, и> существенно улучшающая методик! используемые в древесиноведении.

- получены значения коэффициента! длительности и длительного деформ; ционного коэффициентов при чистом изгибе,- которые рекомендуете использовать при расчете элементов рерхнего строения железнодорожных автомобильных лесовозных дорог ; |

- создан на уровне изобретения экономичный каркасный ДСВКМ, огнем; ющий требованиям ВНИИЖТ МПС Рф.

- впервые проведены имитационные испытания образца из ДСВКМ как балк на упругом основании, позволившие сравнить теоретические и экспер! ментальные значения'прогибов. Ч"

Обоснованность и достоверность порученных результатов подтвержден!,I :

- тщательностью подбора образцов, -'балок по величине мгновенного моду, упругости ДСВКМ при чистом изгибе ;!

- практическим совпадением прогнозируемых знамений мгновенного модуля упругости и модуля деформаций ДСВКМ при чистом изгибе и тех же величин, полученных экспериментально ; '•'

- использованием при выборе аппроксимирующих функций метода наименьших квадратов, причем было установлено, что наименьшую погрешность уда-ется получить при нелинейной аппроксимации экспериментальных данных с использованием ЭВМ;

- получением патента РФ на изобретение.

Практическая значимость работы н реализация ее результатов состоит в :

- доказательстве, на примере ДСВКМ, равенства значений пределов пропорциональности и длительного сопротивления, позволяющем рекомендовать отказ от долговременных испытаний КМ на ползучесть и использовать при назначении расчетных сопротивлений первый предел ;

- проведении эксплуатационных испытаний шпал из ДСВКМ на Елецкой дистанции пути ЮВЖД;

- использовании разработанного материала и методик в учебном процессе по линии НИРС и УИРС в ВГЛТА.

На защиту выносятся :

- обоснование физического смысла процессов , возникающих в КМ при малых скоростях и ступенчатом способах нагружения ;

- трактовка понятия «предел длительного сопротивления» ;

- методики прогнозирования величины предела длительного с »противления и секущего длительного модуля деформаций ДСВКМ на конец заданного срока эксплуатации, например, шпат, основанные на результатах экспериментов и применении аппроксимирующих функций, подбираемых с помощью ЭВМ.

- результаты имитационных и эксплуатационных испытаний шпал.

Апробация работы. Научные положения и результаты исследований

докладывались на научно-технических конференциях по итогам НИР в Воронежской государственной лесотехнической академии (1995,1996,1997,1998 гг.), на всероссийских научно-практических конференциях: «Проблемы ресурсосберегающих и экологически чистых технологий на предприятиях лесного комплекса и подготовка лесоинженерных кадров» и «Комплексная продуктивность лесов и организация многоцелевого (многопродуктивного) лесопользования» - Воронеж (1994, 1995 гг.); на международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительного материаловедения» - Самара (1995г.), Казань (1996г.); на Всероссийской научной конференции «Современные методы подготовки специалистов и совершенствование средств наземного обеспечения авиации» в ВВВАИУ (1997г.), на региональной конферениии-выставкё «Реализация научно-технических программ» - Воронеж (1996г.), выставке «Строительство. Архитектура. Дизайн» - Липецк (1996г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7статей и получено положительное решение о выдаче патента РФ.

Обьсм и структура лиссертацш». Работа состоит из введения, шести глав, основных выводов и! [¡¡«'н.зожений.. Ее .общий объем составляет 179стр. в том

числе 146 стр. основного текста. В нем имеется 24 рисунка, I1) таблиц, библиографических источника и 25 стр. приложении. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформули ваны цель исследований, научная новизна и отличительные особенности . результатов, их практическая значимость и основные положения, выносимые защиту.

В первой главе рассмотрены общие понятия о явлении ползучести матерн;и и ее классические теории, разработанные Л. Больцманом, В. Вольтеррон, Г Масловым, Н.Х. Арутюновым, С.Н. Журковых и др. Ползучесть древесинь пластиков на ее основе и функции, предложенные для описания ее пронес анализируются по данным работ В. Ф. Яценко, А.Р. Ржаннцина Ф.П. Белянки В.Н. Быковского, Н.Л. Леонтьева, A.M. Иванова, Ю.М. Иванова, С.А. Алимов других авторов. Ползучесть полимербетонов на основе фурфуролацетонои смол, получаемых из отходов лесного комплекса - по данным работ А. Иванова, Ю.Б. Потапова, Л.М. Задана, В.И. Харчевникова, А.Н. Бобрышева.

В конце главы сформулирована цель исследований, приведенная выше поставлены конкретные задачи, методы решения которых и получеш результаты приводятся ниже.

Во второй главе рассмотрены компоненты ДСВКМ и их роль в обеснече! монолитности его структуры. За базовый принят состав, разработанный С. Зобовым при участии автора. Роль его компонентов и содержание их в ДСВК? % по массе) таковы:

- ФАМ (ТУ 64-11-17-89) - фурфуролацетоновый олнгомер, главн составляющим которого является фурфурол, полученный в результ переработки отходов лесопромышленного комплекса - 19. 2;

- БСК (ТУ 6-36-02040229125-89) - бензолсульфокислота - катализатор реак-L полимеризации олигомера ФАМ — 4.1;

- ЗРК - глицерин - замедлитель реакции кристаллизации (ингибитор) БС1< вещество, связывающие ее, что положительно влияет на технологию отлш элементов конструкций из ДСВКМ - 0.3;

- П - песок кварцевый сеянный (ГОСТ 8736-85) с модулем при крупности 1. заполнитель в полимеррастворе ФАМ - 38.7;

- ПМ - песок молотый - наполнитель полимерсвязующею вещества (мастиь увеличивающий прочность ДСВКМ - 12.1 ( при отсутствии андезитовой муки):

- ГР - графитовая электродная мука (ГОСТ 7885-86) типа ГЭ-3, ГЭ-4, ГЭ-5 -наполнитель, увеличивающим водостойкость ДСВКМ и уменьшающий внутренние температурные и усадочные напряжения - 4.7;

- ХС - хлорид свинца - связывает катализатор отверждения БСК в cojici комплексы-0.1; . '

- Щ - щепа из древесины сосны, - армирующий заполнитель - 20.3;

- СС - сетка на основе стекла алюмоборосили.катного состава (СС-3, ТУ 6-1175) служит для повышения прочности, трешпностойкости и растяжим!) ДСВКМ-0.5,% по массе. 1

П глине пропилеи анализ упругих свойств компонент» ДСВКМ с позиции механики композиционных материалов, а именно их модулей упругости и предельных раетяжимостей, доказывается возможность подсчета теоретичес-кбго мгновенного модуля упругости ДСВКМ при растяжении, и растяжении при изгибе, если известны модули упругости армирующих заполнителей стеклосетки, дрепесной щепы, и полимеррастпора, а также их содержание и ДСВКМ. [д о предполагаемая величина рапна 0.92Т 04 МИа, при скорости нагруженпя вручную, рапной 0.5 мм/мин.

В третьей главе изложены теоретические представления автора о процессах деформирования ДСВКМ при длительном воздействии постоянной ичгибаю-щей нагрузки.

Считаем, что его матрица-отвержденный полимеррастпор обладает упругим «каркасом» или «скелетом», образованным пространственно сшитым полимером-смолой ФАМ и адгезионно связанным с остальными компонентами.

Кроме этого, ДСВКМ, в отличие от стеклопластиков и стекловолокнистого композиционного материала (СВКМ) ,, имеет два «каркаса», два вида упругих армирующих заполнителей - стекловолокнистый в виде стеклосетки , которая армирует , в Неполном, наиболее удаленные от нейтрального слоя поверхности элемента, и п виде дрепесной щепы, армирующей его объем .

Отметим, что стекловолокна проявляют свои свойства только в растянутой зоне элемента только тогда, когда полимерная матрица , получив удлинение, за счет адгезионных связей подключит их к зоспринятию приложенных напряжений . Древесный заполнитель-щепа, очевидно, также не сразу полностью начинает выполнять своп функции из-за несовершенной ориентации ее элементов в объеме, например, шпалы .

Кроме упругих. свойств, полимерная матрица и ДСВКМ в целом обладает вязкими, высокоэластическими и пластическими свойствами, обусловленными аналогичными свойствами его компонентов - смолы ФАМ, древесной щепы и, частично, стекловолокна, покрытого замасливателем.

В.И. Харчевниковым высказано предположение о том, что на диаграмме разрушения композиционных материалов под действием внешних нагрузок можно обнаружить область, где напряжения, возникающие в них, прямо пропорциональны деформациям и, что самое главное, можно зафиксировать величины условных пределов пропорциональности и упругости, при принятой скорости нагруженпя и для конкретного материала.

Б.Л. Бондарев экспериментально подтвердил это предположение для матриц ДСВКМ - полимеррастпора ФАМ и СВКМ на ФАМ , а С.Ю. Зобов -для ДСВКМ. При участии автора методика определения этих пределов была уточнена.

Па , основании высказанных теоретических предпосылок предлагается упрощенная схема деформирования образцов из ДСВКМ под действием постоянной изгибающей нагрузки (напряжении).

Она предполагает, что на первой стадии нагруженпя в образцах при испытаниях па чистый изгиб возникает только мгновенная упругая деформация -

("'" полимерно» матрицы, прямо пропорциональная прилагаемым нагрузкам - I', и , следовательно,возникающим напряжением - с»,, /

При напряжениях ползучесть ДСВКМ можно характеризовать ка

условно затухающую, т.е. она является установившейся ползучестью с крайн низкой скоростью деформирования. При продолжительном действии нагрузок через некоторый достаточно больший отрезок времени t„, прогибы ползучесгп (, могут вначале достичь значения f™ - прогиба, соответствующего предел пропорциональности — а™. Это произойдет тем быстрее, чем выше значение ст., т.к. при этом интенсивнее начинают развиваться высокоэластическпе деформашн роль которых при низких значениях напряжений крайне ограничена. Использу величины прогибов можно подсчитать значение мгновенного модул

упругости ДСВКМ при частом изгибе -Е™„.

При постоянных напряжениях сто(, действующих в интервале <т^<аы<а™ образцах возникают три вида деформаций -упругие, высокоэластическпе и вязкие а ползучесть можно характеризовать как установившуюся. Скорост деформирования здесь, естественно, выше, но все же может быть достаточн малой. Мгновенные упругие прогибы f^™ остаются прямо пропорциональным приложенной нафузке и соответствующим напряжением, но затем, в результат более интенсивного влияния высокоэластических и вязких деформацш суммарные деформации хотя и остаются в целом упругими, но закон Р.Гука уж не справедлив. В указанном интервале, напряжений соответствующие им прогиб) ползучести достигают предельного значения - величины предельного упругог прогиба - fj" тем бысфее , чем ближе напряжение в образце - сто, к условном пределу упругости -ст™ ДСВКМ.

При постоянных напряжениях.аы выше условного предела упругости (У™ ДСВКМ возникают пластические деформации, связанные с возникновение: микротрещин в отвержденной смоле ФАМ, т.к. ее когезнонная прочность ни ж адгезионной прочности по контактам смола - наполнитель и смола - армирук ший заполнитель. Это означает, что происходит разрушение материала н молекулярном уровне, ведущее к разрушению всего образца.

Таким образом, на уровне предельных упругих деформации, т.е. при {.„>(, вязко-высокоэластнческое деформирование завершается , а микрофешннь возникшие в местах концентрации местных напряжений, слипаются субмикротрещины, которые ' являются основной причиной нптененпног процесса нарастания прогибов. Этот процесс может проходить достаточно доли . если стц. >ст™ и может завершиться за считанные дни или часы при ст„ >>а™ .

Следует отметить еще дна факта. íio-иервы.х, мгновенные упругие прогибь ("" уже не прямо пропорциональны постоянным напряжениям на всех уровня;

.л:

! '

aui. т.к. свойства упругости частично сохраняют лить армирующие заполнители -сгеклосетка, древесная méfia и крупные фракции песка-:'в сжатой зоне. Во-вторпх, наличие микро и субмикрофешин уже' СТ ~<У'" делает невозможным дальнейшую эксплуатацию таких ответственных элементов из ДВСКМ как, например, железнодорожные шпалы.1 'Го есть предел упругости этого материала значительно выше предел'а'длительно го сопротивления, нахождение которого является,одной из основных задач данной работы.

Четвертая глава посвящена исследованию процесса деформативности ДСВКМ при изгибе и нагрулЬпии вручную. ,

Испытания на чистый рзгиб проводили на образцах-балках с размерами поперечного сечения 8x8 см. и длиной 70 см. Выбор размеров образцов и точек приложения нагрузок был ¿делан из условия геометрического подобия по отношению к размерам железнодорожных шпал и межрельсовой колеи в масштабе 1:4 i -

Метод определения нагрузок, соответствующих условным пределам пропорциональности и упругости ДСВКМ , основан на ступенчатом способе приложения нагрузки и трех минутном выдерживании системы на каждой ступени без ее . увеличения. С его помощью автором были определены эти пределы, равные cr^^l^O МПа и. ст™=17,ЗМПа, а также соответствующие прогибы — [^=0,035мм. и f"=0,058мм. Физический смысл процессов, происходящих в (КМ) под действием прилагаемой нагрузки, который состоит в следующем: ■ ...-,•■;■

- под действием силового поля в ДСВКМ поэтапно возникают все четыре вида деформаций, а именно упругие, высокоэластические, вязкие и пластические. Первые три'не связаны с нарушением структуры материала на молекулярном уровне, а последний — связан;

- при изгибе неорганические заполнители и наполнители (песок, графит и т.д) активно проявляют свои упругие свойства, в сжатой зоне образца, являясь своеобразными демпферами (эффект сжатой пружины), тогда как в растянутой зоне основную роль в обеспечение упругих свойств КМ, его прочности и трещиностойкости играют/армирующие заполнители. Этот эффект может быть достигнут лишь тогда^ когда полимерная матрица имеет предельную растяженность более высокую, чем армирующие . заполнители. Совместная работа компонентов ДСВКМ и обеспечивает ему наличие высоких величин упругих составляющих полного, прогиба - практически 100% до предела пропорциональности, 97% -f до предела упругости и 76% - до предела прочности;

- при достаточно большой скорости деформирования, в том числе при непрерывном и ступенчатом погружении вручную, можно лишь условно обозначить границы перехода от одного вида деформирования в другое, т.к. они не успевают за короткое время полностью развиться и переплетаются во времени. Вместе с тем, как раз i ылько предлагаемый метод определения

■"■■."''•' {

\ \ I

условных пределов пропорциональности и упругости пшволяет коистагиропап появление высокоэластнческих и вязкихдеформаций на уровне напряжений о.

и появление пластических — при а_ ~ст ™, а затем вычислять эти пределы V достаточной для инженерных целей точностью;

- численные значения пределов пропорциональности и упругости яаляюго физическими постоянными для конкретного КМ . изготовляемого по конкретно» технологии. Они зависят от скорости нагружения в той же мере, что и преде; прочности. Поэтому, если КМ предполагается использовать при длительно», действии постоянных нагрузок, то необходимо производить кратковременные ступенчатые испытания с возможно более низкой скоростью нагружения и по и> результатам определять аСУ~, и („;

- испытания образцов из ДСВКМ на ступенчатое нагружение при чнсто\ изгибе позволили выявить зависимости напряжений от времени и похазать, чте первоначальное название этого метода — «релаксационный» не соответствуем физическому смыслу явлений, происходящих в материале образца по; действием постоянной нагрузки, т.к. падение напряжений (релаксация сопровождается одновременным нарастанием прогибов, т.е. ползучестью;

- условный предел упругости, определенный по результатам кратковременные испытаний, не может я аляться напряжением, характеризующим длительнук прочность ДСВКМ, т.к. при этом напряжении начинают развиваться пластически« деформации, связанные с появлением микротрещин в местах дефектов структура и в крайних растянутых волокнах изгибаемого элемента , что уже недопустимо Однако полный упругий прогиб - {', соответствующий этому пределу, может характеризовать ту стадию деформирования, за которой может последовал лавинообразное образование микротрещин, ведущее к разрушению элемент; конструкции при любом значении постоянных напряжений. Наступление этогс момента зависит только от времени действия этих напряжений. .

В связи с изложенным, роль условного предела пропорциональности становится определяющей , т.к. - это наибольшее напряжение, при котором не только не происходит структурных изменений в полимерной матрице ДСВКМ на молекулярном уровне , но и справедлив закон Р.Гука. При этом принимается что при постоянных напряжениях ниже предела пропорциональности процесс развития высокоэластических и вязких деформаций является достаточно длительным.

Поэтому предлагается как рабочая гипотеза следующая трактовка понятии «предел длительного сопротивления» -7 это минимальное значение постоянного напряжения в композиционном материале , которое в: конце заданного срок: эксплуатации равно условному пределу ' пропорциональности при деформации равной полному упругому прогибу."

В пятой главе представлены рёзулЬтаты экспериментальных исследовант процесса ползучести ДСВКМ при изгибе и их математическЬ'е представление..'

Длительную прочность и -жесткость изучали на образцах - балках, подвергавшихся изгибающему действию двух сосредоточенных сил, симметрично приложенных в средней трети пролета. Испытания проводили на созданном а ВГЛ'ГЛ рычажном устройстве, которое позволяло создать зону чистого изгиба в средней части образца, где и производились замеры прогибов индикатором часового типа с ценой деления 0,001 мм. Методика установки индикатора и струбцины с площадкой , в которую упирался его шток, размеры, определяющие точки приложения нагрузки, были те же, что и при кратковременных испытаниях. Это давало возможность более объективно сравнивать характеристики упругости и прочности ДСВКМ при кратковременных и длительных испытаниях.

Конечной целью опытов было: определение времени от момента загружения образца до его разрушения или до полного прекращения ползучести; построение кривых с фиксированием на них появление точек перегиба; получение величины предела длительного сопротивления О^, и величины длительного модуля упругости являющихся минимальными значениями ст~ и Е; на конец

заданного cpoj<ja эксплуатации; получение соответствующих коэффициентов длительности - и длительного деформационного коэффициента -

С той же целью уровни постоянных нагрузок при испытаниях на ползучесть и, следовательно, напряжений, были те же, что и при ступенчатом нагруженин вручную (рис.).

На нем показаны графические зависимости изменения деформаций (прогибов) образцов из ДСВКМ базового состава при чистом изгибе под действием фиксированных постоянных напряжений от времени. Показаны также величины . определенных ранее прогибов, соответствующих пределам пропорциональности и упругости и равных 0,0035см. и 0,0058см. Полученные данные позволили сделать следующие выводы: 1. Точки перегибов на кривых ползучести при постоянных напряжениях при и ниже предела упругости соответствуют величине полного упругого прогиба, т.е. суммарного прогиба, состоящего из чисто упругих т.е. подсчитываемых с использованием начального мгновенного модуля упругости, и упругих, соответствующих взаимосвязанным вязким и высокоэластическим деформациям. Это подтверждается тем, что при разгрузке образца при прогибах ниже полного упругого происходит его практически мгновенная редеформация.

2. При; напряжениях а„-18 МПа...а„,=21.5 МПа, т.е. больших, чем предел упругости, на кривых ползучести точки перегиба вообще отсутствуют, т.е. эти кривые не могут участвовать при фиксировании полного упругого прогиба, также, как и предел прочности материала не может быть использован при подсчете его величины (см. работы A.M. Иванова).

3. Из графиков на рнс.1 видно, что только пять из двенадцати кривых ползучести имеют точки перегиба на их пересечении с прямой , параллельной оси

90 100 ПО 120

Рис.* кривые ползучести при чистом изгибе образцов из ДСВКМ базового состава

i л

абсцисс и координатой, равной (',' , а именно при значениях постоянных напряжений ст, „,=12 .МПа...ст„п=с7, =1 7.3 МПа. Вилпо так же, что с уменьшенном неличины постоянного напряжения.время достижения изгибаемым образцом величины полного упругого прогиба (" =0.0058 см увеличивается, причем зависимость явно криволинейная.

Аппроксимация этой зависимости с помощью различных функций, приводимая ниже, преследовала цель подтвердить высказанную п конце 4 I.I. riinorejy о том, что предел длительного сопротивления - это минимальное значение постоянного напряжения в композиционном материале, которое, в копне заданного срока эксплуатации элемента конструкции, рапное условному пределу пропорциональности при деформации, равной полному упругому прогибу, (рис.2)

В качестве метода аппроксимации использовали метод наименьших квадратов, причем было установлено, что наименьшая погрешность имеет место при нелинейной аппроксимации экспериментальных данных, требующей решения системы трансцендентных уравнений, что было выполнено методом Ньютона с использованием прикладных математических пакетов для ЭВМ.

Наиболее приемлемой из множества рассмотренных аппроксимирующих функций оказалась экспоненциальная зависимость вида:

ст™ (t)=a , +1), tanh(c. t), (1)

где ст, (t) - ст j, — величина постоянного напряжения, при котором через время t величина прогиба в центре зоны чистого изгиба образца достигнет величины полного упругого прогиба - f "=0.0058с.м; а,,Ь,,с, - коэффициенты, получаемые при решении уравнений с применением ЭВМ; tanh (х)=(е,-е"')/(е'+е"')-гиперболический тангенс.

Анализ аппроксимирующей зависимости (Г) с использованием вычисленных коэффициент» а,= 17.-108 , Ь,= -6.372 и с,= 6.205-10 J , показывает следующее:

При а,п ,ст(0 = а, = 17.408 МПа = а;=17.3 МПа

г.с. этот коэффициент по физическому смыслу - это теоретическая величина предела упругости ДСВКМ базового состава - гГ'".

При мт,.. а™ (0 = а :-Ь.= 17.408- 6.372 = 11.036 МПа s

- п;™1' = а;: =1 1 Mlla, i.e. разноси, этих коэффпцпен гон дает теоретическое значение предела длительного сопротнвленпт ДСВКМ базового состава на конец заданного срока эксплуатации ,т.к.при t=15: Hl'cyr а',";'!' П.ОЗбМПа = 11.0 МПа.

Таким образом уравн-.-Ьне (1) может быть переписано в общем виде:

а(t) = <г;-- (а;1" - а ;;;) tanh (с. t). С)

19 18 1716151413 12 4-

о.мпл

G0I3= 17. ЗМПа 0012=170мпа

с08=1б,мпа

Теоретические зависимости:

1 I

Cu(t) = 10.20U 7.331 еХР(~ 6.879-10 "3 t) G?2(t)=17.408-6.372 tanh(6.205-10"3t)

1 1 ¿77// ///"// / / / /"/ /77"

И.ОМПа 7

10

_1_' '

O 10 2 0 3 0 4 0 5 0 90 100 110 120 180 130 200 210 220 230 3.5-Ю3 Ю-Ю3 15-10J

l'uc. 2 График 'зависимости постоянных напряжений при испытаниях на ползучесть при чистом изгибе образцов из ДСП КМ от времени достижения ими полного прогиба (" =0.0058 см.

где С , - реологический параметр. Коэффициент длительности при применении аппроксимирующего уравнения (I) ранен

кгч:, = о;™ /а;;:= 11.036 /21.7 = 0.51. (3)

Приведенные результаты позволяют сделать серьезный и, вместе с тем. подтвержденный экспериментально вывод: для ДСВКМ предел длительного сопротивления равен пределу пропорциональности, а коэффициент пропорциональности - коэффициенту-длительности как это и предполагалось в рабочей гипотезе исследований.

Использование несколько усложненной модели Кельвнна-Фойгта, позволяющий описать процесс деформирования ДСВКМ во времени как упруго -пязковысокоэластнческого материала дало возможность получить значения теоретических длительных модулей деформаций при времени нагруження, стремящимся к бесконечности, а именно Е^н= 0.56-10'МПа, при использоваишш нормативных модулей упругостей компонентов ДСВКМ, и Е*т> = 0.42-10'МПа -при использовании расчетных.

Были получены и аппроксимирующие зависимости вида: Е""тТ(0 = (-8.2+9.223 1-6'ш,0")-10'.и . (4)

Е""гГ = {0.369+0.764 е.\р(-0/107 (f/0.387)0"']}-10'. (5)

Это позволило получить еще два, основанных на экспериментальных данных, значения длительного секущего модуля деформаций, а именно 0.47 104МПа и 0.40 104МГ1а; причем они близки с теоретическими.

Следовательно, с большей долей уверенности, можно констатировать, что его минимальная величина находится в пределах 0.40-10*...0.56-10'МПа, а величина длительного деформационного коэффициента при = 0.98-10'МПа - в пределах 0.41...0.57 или п^=0.49, т.е., несколько ниже, чем значение коэффициента длительности, но того же порядка.

В шестой главе приведены результаты исследований, позволивших повысить изгпбную прочность и жесткость материала для шпат лесовозных железных дорог путем дополнительного армирования их каркасом из древесины. Новизна этой разработки подтверждается положительным решением на выдачу патента РФ. Масса .шпалы из каркасного ДСВКМ на 50 кг меньше, чем у шпалы из ДСВКМ базового состава (100 кг против 150- кг [43,47]). Объем древесины в пей составляет 0.0865 м', а, с учетом древесины, идущей на производство фурфурола, - 0.0913 л«3 или 75,5% теоретического объема шпалы призматического rima (А-1), равного 0.121 М5.

Цена шпаты из этого вида ДСВКМ составляет 70% от иены шпалы из ДСВКМ базового состава при существенном улучшении физико-механических характеристик.

Автором впервые проведены имитационные испытания образца, принятых размеров, из каркасного ДСВКМ как балки на упругом основании, находяще иод действием постоянной изгибающей нагрузки. Сделано сравие теоретических перемещений в сечениях, соответствующих местам устапо семи индикаторов с ценой деления 0.001 мм с полученными эксперимента;!! Расхождение составляет 16... 19%.

Таблица

Основные характеристики ДСВКМ базового состава и ДСВКМ с дополнительным каркасом из досок

Наименование Характеристики Вид армирования

Древесная щепа Древесная щепа 1 каркас из досок

Условный предел прочности (а"), МПа 22.0 35.0 (158%)

Условный предел пропорциональности (а;;), МПа 11.0 17.0(155%)

Условный предел упругости (а''), МПа 4 17.0 2~.0 (159%)

Мгновенный модуль упругости (Е,:"), МПа 1.010' 1.08-10' (108%)

Условный предел прочности при смятии под прокладкой (сг„), МПа: '■,. 12.0 9.0(75%)

Плотность, тс/м5 (кН/м1) 1.20 (12) 0.85 (70%)

Масса шпалы, кгс (кН) "150.0(1.5) 100.0(70%)

С помощью специально разработанной программы, построена эшс изгибающих моментов и подсчитана величина соответствующего максимальнс напряжения.

Ползучесть образца балки из каркасного ДСВКМ носит харакп установившейся с очень малой скоростью деформирования, т.е. фактичес затухающей, т.к. перемещения за второй месяц эксперимента составили лш 1.. .2% от величины перемещений за первый месяц.

Интересен также тот факт, что в процессе ползучести величины перемещен образца - балки приближаются к теоретическим. Па конец второю меся эксперимента разница составила уже лишь 5...7%. т.е. специально разработан! методика определения коэффициента постели себя оправдала.

В -включение главы даны рекомендации но использованию технологии получения сопутствующей продукции существующих цехов шпалопнления для создания ДСВКМ и шпал на его основе. ОКЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

I. Обзор научных работ, посвященных процессам сопротивляемости и деформативности древесины и композитов гю времени показал, что применение для их описания механических и структурных молелен или идеализированных схем строения материалов часто дает результаты, отличающиеся от опытных, и, кроме этого, требует определения большого количества коэффициентов, физический смысл которых достаточно условен. При этом практически не используются возможности современных ЭВМ.

2. Выявлено, что модули упругости и предельные растяжимости армирующих заполнителей ДСВКМ и его полимерных матриц незначительно отличаются друг от друга, что, с позиций механики композиционных материалов, не может гарантировать появление микротрешин как при возникновении температурных и усадочных напряжений, так и под действием длительно действующих нагрузок -в местах их концентрации.

В связи с этим рекомендовано применять упрощенную форму шпалы в виде призмы с'постояннымл по всей длине трапециевидными поперечными сечениями, а также пластифицирующие добавки.

3 .Впервые установлено , что, при'ступенчатом нагружении вручную и выдержке образца на каждой ступени под нагрузкой, п ДСВКМ возникают не только релаксационные процессы, но и ползучести, что позволяет получпть величины условных пределов пропорциональности и упругости и соответствующие им прогибы. Методики их определения могут быть распространены и на другие материалы, изучаемые п дрепесинопелении.

4. Предложена, я затем и подтверждена экспериментально, концепция о том, что в ДСВКМ как при кратковременных испытаниях с малой скоростью нагружения, так и при длительных, возникают четыре вида деформаций -упругие, вязко - высокоэластические и пластические, что сказывается на видах диаграмм разрушения и кривых ползучести. Последние до предела пропорциональности носят условно затухающий характер, до предела упругости -установившейся с малой скоростью деформирования, а после него -незатухающи", приводящий к достаточно быстрому разрушению образцов.

5.Условный предел упругости, определенный по результатам кратковременных испытаний, не может являться напряжением, характеризующим длительную прочность ДСВКМ, т.к. при нем начинают развиваться пластические деформации. то же время полный упругий прогиб, соответствующий этому пределу, характеризует ту стадию деформирования, за которой может послеДовать лавинообразное образование микротрещин, ведущее к разрушению элемента при любом значении постоянных напряжений. Наступление этого момента зависит только от времени их действия".

6. Выявлена определяющая роль 'условного предела пропорциональности как наибольшего напряжения, при котором не только не происходит структурных

V18 V '' ': ,

изменений и полимерной матрице ДСВКМ на молекулярном .уровне и, в целом справедлив закон Р. Гука, но оно и численно равно пределу длительной сопротивления ДСВКМ в конце заданного срока эксплуатации при деформации равной полному упругому прогибу. Э^го позволило предложить новые боле современные методики прогнозирования величины предела длительног сопротивления и секущего длительного ¡модуля деформаций КМ, в том чнсл древесины, основанные на экспериментальных данных и применен)! аппроксимирующих функций, подбираемых с помощью ЭВМ.

7.Численные значения пределов .' длительного сопротивления коэффициентов длительности, полученные различными способами, подтвердил! с одной стороны, применимость предложенной ускоренной методики, а, с друго стороны, они практически равны значениям предела пропорциональное! ДСВКМ, т.е.11МПа, и коэффициента пропорциональности, т.е. 0.51.

8. Теоретические и полученные с помощью аппроксимирующих функций значения секущих длительных модулей деформаций и длительных деформацион ных коэффициентов также являются величинами одного порядка, которые колеб лютея в пределах от 0.40-10'до 0.56-ЮЛ МПа и от 0.41 до 0.57, соответственно, т.е. п"ср = 0.49.

9. На уровне изобретения предложено дополнительное армирование шп: типа А-1 из ДСВКМ базового состава каркасом из необработанных досок, ч позволило довести содержание малоценной древесины в ее объеме до 76" о, 30% снизить массу и стоимость при одновременном увеличении предела прс ности при изгибе с 22 МПа до 35 МПа, т.е. на.60%.

10. Впервые проведенч имитационные1 испытания образца из каркасно ДСВКМ как балки на упругом основании, находящейся под действием посто* нон изгибающей нагрузки. Выявлено, что ползучесть носит затухающий хар; тер, а теоретические расчеты балки достаточно хорошо совпадают с данны эксперимента. ' ' ■

11. Шпалы из ДСВКМ базового состава прошли эксплуатационную провер на Елецкой дистанции пути ЮВЖД, а стендовые из каркасного ДСВКМ -ВГЛ'ГА и ВНИИЖТ МПС и рекомендованы для государственных испытаний.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Харчевников В.И., Бондарев Б..Л,, Бухонов Ю.Н. и др. Древесное гекло локнистый полимербетон // Соврем. Проблемы, стронтел. материадоведен Материалы междунар. науч.-техн. ,копф.-Самара, 1995.-С. 24-27,часть 2.

2. Харчевников В.И., Плужникода О.П., Бухонов Ю.Н. и др. Комплекс использование отходов древесины- задача времени // Пробл* ресурсосберегающих и экологически чистых, технологий на предприятиях Л( комплекса и подготовки лесоинженер. кадров: Материалы Всерос. научи.-И] конф,-Воронеж, 1995,-с.54-56.

3. Харчевников В.И., Бондарев Б.А., Бухонов Ю.Н. и др. Новый древесноволокнистый композиционный материал (ДСВКМ) для железнодорожных шпал// Соврем, проблемы строит, материаловедения: Материалы междунар. науч.-техн. коиф,- Казань, 1996.- С. 66-69, часть 4.

4. Харчевников В.И., Бухонов Ю.Н., Гапоненков A.B. и др. Экспериментальные исследования длительной прочности древесноволокнистого композиционного материала,- М., 1997,- Деп. в ВИНИТИ, № 515 - В-97.-13 с.

5. Патент № 97103802 РФ, МКИ Строительный элемент / Харчевников В.И., Бухонов Ю.Н. и др. (Россия).- 10 с.

6. Харчевников В.И., Зобов С.Ю., Бухонов Ю.Н. и др. Новый подход к расчету элементов конструкций из композиционных материалов с использованием предела пропорциональности,- Москва, 1997.- Деп. в ВИНИТИ, № 1284-В-97.-54 с. •

7. Харчевников В.И., Дорняк O.P., Бухонов Ю.Н. и др. Коэффициент стойкости в виде древесноволокнистого композиционного материала для аэродромных покрытий // Соврем. Методы подготовки специалистов и совершенствования систем и средств назем, обеспечения авиации : Тез. докл. Всерос. науч. конф.-ВВВАИУ- Воронеж, 1.997,- С, 313-315.

8. Бухонов Ю.Н. Прогнозирование длительного модуля деформации композиционного материала на основе древесины для шпал и плит железнодорожных и автомобильных лесовозных дорог // Мат. моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем лесн. комплекса: Сб. науч. тр. ВГЛТА,- Воронеж, 1998,- С.82-85.

Просим принять участие в райсчс диссертационного совета Д 064.0601 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 394613, г.Вороне*, ул. Тимирязева,8, Воронежская государственная лесотехническая академия', ученому секретарю.

Бухонов Юрий Николаевич

Сопротивляемость и деформативность компознцио '»Сериала на основе древесины при изгибе

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати //, /У. . Тираж 100^кз

Заказ № 99 Объем 1 усл. п.л.

УОП ВГЛТА.

394613, г.Воронеж, ул. Тимирязева,8.

/

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

БУХОНОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ

ПРИ ИЗГИБЕ

05.21.05 «ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ, ДРЕВЕСИНОВЕДЕНИЕ»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки РФ, академик РАЕН, доктор технических наук, профессор

ХАРЧЕВНИКОВ ВИТАЛИЙ ИВАНОВИЧ

ВОРОНЕЖ, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................5

ГЛАВА 1. Ползучесть композиционных материалов на основе древесины и математическая интерпретация результатов экспериментальных исследований этого явления.........10

1.1. Общие понятия о явлении ползучести композиционных материалов ..........................................................10

1.2. Ползучесть древесины и пластиков на ее основе................16

1.3. Ползучесть полимербетонов на основе фурфуролацетоновых смол, получаемых из отходов лесного комплекса..................20

1.4. Выводы по первой главе, цель и задачи исследований..........26

ГЛАВА 2. Компоненты древесностекловолокнистого композиционного материала и их роль в обеспечении монолитности структуры шпал лесовозных железных дорог......................29

2.1. Древесностекловолокнистый композиционный материал для шпал лесовозных железных дорог ...............................29

2.2. Анализ обеспечения монолитности древесностекловолокнистого композиционного материала базового состава.....................34

2.3. Установление наличия синергических эффектов при одновременном введении в его состав компонентов древесностекловолокнистого композиционного материала ..............................37

2.3.1 Расчет величин теоретического мгновенного модуля упругости с позиций механики композиционных материалов................. 40

2.4. Выводы по главе.......................................... 44

ГЛАВА 3. Теоретические представления о процессах деформирования древесностекловолокнистого композиционного материала при длительном воздействии постоянной изгибающей нагрузки ..............................................46

3.1. Возможные виды деформации древесины, стеклопластиков, полимербетонов и роль компонентов их структуры в определении предела длительного сопротивления.............................46

3.2. Концепция деформирования древесностекловолокнистого композиционного материала во времени..........................51

3.3. Рабочая гипотеза исследования. Упрощенная схема деформирования композиционного материала на основе древесины при длительном действии постоянной нагрузки................................. 54

3.4. Выводы по главе..........................................58

ГЛАВА 4. Исследование процесса деформативности древесностекловолокнистого композиционного материала при изгибе и на-гружении вручную...................................60

4.1. О возможности применения формул науки о сопротивлении материалов при подсчете напряжений и деформаций...................60

4.2. Обработка диаграмм разрушения образцов из древесностекловолокнистого композиционного материала при чистом изгибе по методикам, принятым для древесины............................64

4.3. Определение условных пределов пропорциональности и упругости древесностекловолокнистого композиционного материала при чистом изгибе и ступенчатом нагружении вручную..........................70

4.4. Выводы по главе..........................................85

ГЛАВА 5.Экспериментальные исследования процесса ползучести древесностекловолокнистого композиционного материала при изгибе и математическое представление их результатов ... .90

5.1. Методика постановки экспериментов...................... 90

5.2. Результаты испытаний на длительное действие постоянной нагрузки образцов из древесностекловолокнистого композиционного материала при постоянной температуре и влажности окружающей среды.....................................................95

5.3. Определение длительного секущего модуля деформаций древесностекловолокнистого композиционного материала . .

5.3.1. Прогнозирование модуля деформации древесностекловолокнис-того композиционного материала...............................110

5.3.2. Получение значений теоретических длительных секущих модулей деформаций с помощью аппроксимирующих функций............ 115

5.4. Выводы по главе.........................................117

ГЛАВА 6. Повышение изгибной прочности и жесткости материала для шпал лесовозных железных дорог путем дополнительного армирования их каркасом из древесины............122

6.1. Каркасный древесностекловолокнистый композиционный материал ................................................... 122

6.2. Имитационные испытания образца из древесностекловолокнисто-

го композиционного материала как балки на упругом основании .... 132

6.2.1. Определение коэффициента постели образца-балки.........133

6.2.2. Методика и результаты имитационных испытаний образца-балки на упругом основании под действием длительной постоянной нагрузки ............................................................136

6.3. Использование технологии получения сопутствующей продукции

при производстве шпал из древесины для создания

древесностекловолокнистого композиционного материала.........144

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ......................................146

СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ.............149

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................... 157

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации обосновывается тем, что Российская Федерация располагает самой большой в мире протяженностью железных дорог, по которым осуществляется более 50% грузоперевозок. При довольно медленном освоении территории России сетью автомобильных дорог такое положение в ближайшие десятилетия останется неизменным.

Лесовозный железнодорожный транспорт, в частности, представляет собой важную фазу производственного процесса лесозаготовок. На его долю приходится более 15% объема вывозимой древесины и более 25% ее себестоимости.

Эффективность его работы в значительной степени определяется транспортно- эксплуатационным уровнем, приспособленностью к перевозкам лесных грузов, условиями эксплуатации, безопасностью движения, зависящей от состояния пути, т.е. от физико-механических свойств материала шпал.

Наибольшее распространение в практике развития мировой сети железных дорог получили деревянные шпалы, которые составляют в настоящее время около 80% верхних строений путей. Остальное приходится на долю железобетонных шпал.

Недостатком железобетонных шпал является их жесткость, вызывающая повышенный износ рельсов и бандажных колесных пар, и тем не менее процесс замены деревянных шпал железобетонными идет с нарастанием, несмотря на еще более стремительный рост стоимости металла и цемента.

Нормативные сроки службы деревянных шпал, пропитанных антисептиками, составляет 14...25 лет, но в связи с интенсификацией грузопотоков и увеличением нагрузок и скоростей он снижается до 8... 10 лет, следовательно, объем шпалопиления в ближайшие 15...20 лет в РФ будут составлять 30 млн. штук в год, т.е. более 9.3 млн.м3 по сырью, что вряд ли

выполнимо из-за практически полной вырубки деревьев возраста 80-100 лет в доступных лесных массивах..

Как альтернативный дереву и железобетону для железнодорожных шпал в ВГЛТА создан новый древесностекловолокнистый композиционный материал (ДСВКМ) на фурфуролацетоновой смоле ФАМ, армирующим дополнителем которого является древесная щепа с длиной элементов 150...200 мм, а физико-механические характеристики близки аналогичным характеристикам древесины, хотя величины последних, приводимые в справочной литературе, весьма разноречивы, что объясняется несовершенством существующих в древесиноведении методик. Разработанный материал признан пригодным для использования в железнодорожных шпалах Всероссийским научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) и МПС РФ, где намечены его стендовые и эксплуатационные испытания. Однако специалистами МПС было высказано мнение о необходимости исследования ДСВКМ на ползучесть, желательности повышения абсолютного значения предела прочности при изгибе и, для обеспечения конкурентноспособности -снижение цены шпалы, что и определило актуальность представленной работы.

Кроме плана НИР ВНИИЖТ РФ, диссертация выполнялась в соответствии с планами НИР ВГЛТА и Центрально-Черноземного отделения наук о лесе РАЕН.

Целью исследований явилось получение достоверных характеристик прочности и жесткости ДСВКМ как при кратковременном, так и при длительном действии постоянных изгибающих нагрузок на конец заданного срока эксплуатации железнодорожных шпал, брусьев стрелочных переводов и мостов, в том числе лесовозных дорог.

Объект исследований - древесностекловолокнистый композиционный материал, получаемый на основе отходов лесного комплекса.

Научная новизна и отличительные особенности результатов , полученных в диссертационной работе лично автором, вносят вклад в теорию и практику обоснования возможности применения новых композиционных материалов (КМ) на основе древесины в элементах верхних строений путей лесовозных и общего назначения железных дорог и состоят в следующем :

- впервые установлено, что при ступенчатом нагружении вручную и выдержке образца на каждой ступени под нагрузкой в ДСВКМ возникают не только релаксационные процессы, но и ползучести, что позволяет получить величины условных пределов пропорциональности и упругости и соответствующие им прогибы;

- предложена, а затем и подтверждена экспериментально концепция о том, что в ДСВКМ как при кратковременных испытаниях с малой скоростью нагружения, так и при длительных, возникают четыре вида деформаций -упругие, вязко-высокоэластические и пластические, что сказывается на видах диаграмм разрушения и кривых ползучести. Последние до предела пропорциональности носят условно - затухающий характер, до предела упругости - установившейся с малой скоростью деформирования, а после него - незатухающий, приводящий к достаточно быстрому разрушению образцов ;

- разработана новая методика прогнозирования величин предела длительного сопротивления и секущего длительного модуля деформаций на конец заданного срока эксплуатации, основанная на знании величины полного упругого прогиба и времени, при котором он достигается образцами при различных величинах постоянных изгибающих нагрузок, и существенно улучшающая методики, используемые в древесиноведении.

- получены значения коэффициента длительности и длительного деформационного коэффициентов при чистом изгибе, которые рекомендуется использовать при расчете элементов верхнего строения железнодорожных и автомобильных лесовозных дорог;

- создан на уровне изобретения экономичный каркасный ДСВКМ, отвечающий требованиям ВНИИЖТ МПС РФ.

- впервые проведены имитационные испытания образца из ДСВКМ как балки на упругом основании, позволившие сравнить теоретические и экспериментальные значения прогибов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждены :

- тщательностью подбора образцов-балок по величине мгновенного модуля упругости ДСВКМ при чистом изгибе ;

- практическим совпадением прогнозируемых значений мгновенного модуля упругости и модуля деформаций ДСВКМ при чистом изгибе и тех же величин, полученных экспериментально;

- использованием при выборе аппроксимирующих функций метода наименьших квадратов, причем было установлено, что наименьшую погрешность удается получить при нелинейной аппроксимации экспериментальных данных с использованием ЭВМ;

- получением патента РФ на изобретение.

Практическая значимость работы и реализация ее результатов состоит в :

- доказательстве на примере ДСВКМ равенства значений пределов пропорциональности и длительного сопротивления, позволяющего рекомендовать отказ от долговременных испытаний КМ на ползучесть и использовать при назначении расчетных сопротивлений первый предел ;

- проведении эксплуатационных испытаний шпал из ДСВКМ на Елецкой дистанции пути ЮВЖД;

- использовании разработанного материала и методик в учебном процессе по линии НИРС и УИРС в ВГЛТА.

На защиту выносятся :

- обоснование физического смысла процессов , возникающих в КМ при малых скоростях и ступенчатом способе нагружения ;

- трактовка понятия «предел длительного сопротивления» ;

- методики прогнозирования величины предела длительного сопротивления и секущего длительного модуля деформаций ДСВКМ на конец заданного срока ^ эксплуатации, например, шпал, основанные на результатах экспериментов и применении аппроксимирующих функций, подбираемых с помощью ЭВМ.

- результаты имитационных и эксплуатационных испытаний шпал. Апробация работы.

Научные положения и результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях по итогам НИР в Воронежской государственной лесотехнической академии (1995,1996,1997,1998 гг.), на всероссийских научно-практических конференциях : «Проблемы ресурсосберегающих и экологически чистых технологий на предприятиях лесного комплекса и подготовка лесоинженерных кадров» и «Комплексная продуктивность лесов и организация многоцелевого (многопродуктивного) лесопользования» - Воронеж (1994, 1995 гг.); на международной научно-технической конференции : «Современные проблемы строительного материаловедения» - Самара (1995г.), Казань (1996г.); на Всероссийской научной конференции «Современные методы подготовки специалистов и совершенствование средств наземного обеспечения авиации» в ВВВАИУ (1997г.), на региональной конференции-выставке «Реализация научно-технических программ» - Воронеж (1996г.), выставке «Строительство. Архитектура. Дизайн» - Липецк (1996г.), на научной конференции профессорско-преподавательского состава, инженерно-технических работников и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы за 1997 год, посвященной 200-летию Лесного департамента России - Воронеж (1998).

ГЛАВА 1. ПОЛЗУЧЕСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭТОГО ЯВЛЕНИЯ

1.1. Общие понятия о явлении ползучести композиционных материалов

По современным представлениям, явлением ползучести называется способность материала, в том числе и композиционного, деформироваться во времени при действии постоянных нагрузок.

Явление ползучести присуще природным (древесина) и композиционным, т.е. созданным человеком материалам (бетон, сталь, кирпич, полимеры и т.д.).

Как указывают авторы [1], фактор ползучести имеет существенное значение для работы конструкций. Так, напряжение в арматуре железобетона может в процессе ползучести его матрицы - цементного бетона, увеличиться в 2...2,5 раза, а перемещения - в 3...4 раза. Таким образом, неучет этого явления при расчете таких особо важных конструкционных элементов, как, например, шпалы железных лесовозных дорог, недопустим.

Явление ползучести одним из первых исследовал В. Вебер (1835 г.). Было установлено, что оно наблюдается при любых напряжениях, даже таких, которые при кратковременном действии нагрузки вызывают только упругие деформации.

Сразу отметим, так как это важно для нашего понимания этого явления, что авторы не уточняют, каким нагрузкам соответствуют эти деформации. Если нагрузкам, вызывающим напряжения, которые меньше предела пропорциональности материала, то этот вопрос спорен, если нагрузкам, вызывающим напряжения большие, чем предел пропорциональности, но меньшие, чем предел упругости, то с этим можно согласиться.

Результаты испытаний на ползучесть представляют в виде кривых зависимости деформаций от времени (рис. 1.1.). На рисунке видно, что в начальный

момент времени деформации при осевом растяжении имеют значение б(0),

t. сут

А

5).

£ сут

Рис. 1.1 Характерные кривые ползучести материала при осевом растяжении (а) и при чистом изгибе (б)

равное упругой деформации или сумме упругой и пластической деформаций ((0) , то же для случая чистого изгиба. Обычно считается, что напряжение <7 (0) и соответствующая деформация £ (0) проявляются мгновенно. С увеличением времени t наблюдается возрастание деформаций, характеризующееся скоростью 8 (производная 8 по времени t) или f.

Видно, что на графиках I (рис. 1.1, а и б ) процесс деформирования сопровождается уменьшением скоростей 8 или f и асимптотическим стремлением их к нулю. Полная деформация образцов определяется суммированием начальной деформации £ (0) или {(0) и деформации ползучести £п или {„, т.е.

е = 8(0) + 8„ ишf=f(0)+fat 1.1

которые стремятся к предельному значению £х или . Такой вид ползучести можно считать затухающей при конкретном значении напряжения а и фиксируемом времени проведения эксперимента /.

На графиках II выделены три участка : АВ, ВС и СО. Участок АВ характеризуется уменьшением скорости деформирования и соответствующей фазой

неустановившейся ползучести. По окончании ее скорость 8 принимает минимальное значение, и ползучесть можно характеризовать как установившуюся (участок ВС), которая рано или поздно, в зависимости от величи�