CC BY
17
сравнению с другими, однако способствуют более полному использованию древесины. Целесообразность применения той или другой технологии зависит от технико-экономического расчета и дальнейшего подробного анализа.
Koshyrets S.I., Gryciuk Yu.I. Analyzed of technologies of making of purveyances of the glued squared beam is for necessities of joiner's production
Technologies of making of the glued squared beam are analyzed from radial saw-timbers for the necessities of joiner's production, which provides high stability of physical-mechanical properties and holds a form of millworks. Advantages are set and failings each of technologies and condition of their use. It is found out, that making of the glued squared beam from one-sided skinner and similar trapezoid saw-timbers although and is more labor intensiveness comparatively with other, however instrumental in more complete use of wood. Expedience of application of that or other technology depends on a technical-economical calculation and subsequent of the detailed analysis.
УДК 674.048 Доц. Ю.М. Губер, канд. техн. наук; асист. Ж.Я. Гуменюк;
М.М. 1льк1в - НЛТУ УкраТни, м. Льв1в
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЗМ1НИ Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ДЕРЕВИНИ В ПРОЦЕС1 ВАКУУМНО-КОНДУКТИВНОГО ТЕРМ1ЧНОГО ОБРОБЛЕННЯ
Наведено методику та результати експериментальних дослщжень змши фiзико-мехашчних властивостей деревини ясена в процес вакуумно-кондуктивного термiч-ного оброблення. Отримано математичш та графiчнi залежносп фiзико-механiчних властивостей деревини ясена вщ режимних параметрiв процесу термiчного оброблення. Встановлено, що мщшсть на статичний згин для термооброблено! деревини ясена за температур оброблення 160, 190 та 220°С та за тривалосп оброблення 10 годин вщповщно до показника мщносп на статичний згин контрольного зразка, знизи-лися на 14,3, 32,8 та 47,9 %.
Вступ. Деревина, як конструкцшний матер1ал, волод1е багатьма пози-тивними властивостями, проте е показники, як унеможливлюють и викорис-тання пор1вняно з металами { синтетичними матер1алами. До таких показни-юв належать: вщносно малий термш експлуатаци { пор1вняно мала стабшь-шсть розм1р1в (форми). Важливим чинником у придатност деревини до вико-ристання е и здатшсть до ураження грибковими шфекщями. Найпоширеш-шим методом захисту деревини в нашш кра!ш залишаеться х1м1чний захист шляхом просочування або поверхневого оброблення деревини оргашчними чи неоргашчними солями, токсична д1я яких припиняе розвиток гриб1в. Проте х1м1чний метод модифжацп деревини не е безпечним, тому виникае ряд питань щодо подальшого його використання. Так, починаючи з 2004 р., на зако-нодавчому р1вш у кранах Свропейського Союзу заборонено використання деревини, модифшовано! х1м1чним способом. Аналопчне ршення прийнято { в США.
Упродовж останшх 10-15 роюв у Фшлянди, Францп, Канад1, Шмеччи-т { Роси практично одночасно виник новий напрям захисту деревини вщ зов-шшшх дш - метод терм1чного оброблення за температури вщ 160 до 240°С. Здшснеш в цих кра!нах дослщження показали, що шд д1ею високо! температури в деревиш вщбуваються незворотш бюлопчш змши, що впливають на и властивосп. Внаслщок цих змш пщвищуеться стшюсть деревини до р1зних бюлопчних уражень, в декшька раз1в зменшуеться водопроникшсть.
До того ж термооброблення покращуе зовшшнш вигляд деревини: по всш товшинi змшюеться вiдтiнок - на iнтенсивнiший, темшший, що дае змо-гу "ушляхетнювати" дешевi сорти деревини, надаючи 1м вигляду екзотичних порiд i старого дерева. Однак, вщомо, що тривала дiя високих температур призводить до зменшення мiцностi деревини i таю показники варто врахову-вати в подальшому використаннi таких пиломатерiалiв.
Мета дослвдження. Метою цих експериментальних дослщжень е ви-явлення впливу параметрiв процесу вакуумно-кондуктивного термiчного об-роблення на фiзико-механiчнi властивостi деревини ясена.
Експериментальна установка та тдготовка зразшв для проведения процесу термiчного оброблення за вакуумно-кондуктивною технологieю. Те-рмiчне оброблення здшснюють з використанням герметично! посудини типу АОВ-75. Для виконання такого процесу термiчного оброблення деревини за вакуумно-кондуктивною технолопею необхщно створити таю умови середо-вища, яю б унеможлювали процес горiння деревини. Для забезпечення цього, процес термiчного оброблення вщбуваеться у вакуумi (залишковий тиск ста-новить 10-20 кПа). Осюльки в таких умовах важко забезпечити передачу тепла конвективним способом, то використовують електричш на^вальш плити, якi кондуктивним способом передають тепло деревинi. Для здiйснення контролю за ходом процесу вимiрювали температуру на поверхш та в цен^ об-роблюваних зразкiв деревини. Схему експериментально! установки показано на рис. 1.
Рис. 1. Схема експериментально1 установки: 1 - вакуумна помпа; 2 - засувка;
3 - контактный вакууметр; 4 - контрольный вакууметр; 5 - герметична емшстъ;
6 - нагр1валъш плити; 7, 8 - термометры опору; 9 - шафа управлтня
Осюльки експериментальна установка потребуе постшного нагляду протягом тривалого часу, то для виконання дослщжень 11 було обладнано системою автоматизованого керування. На рис. 2 показано шафу керування ек-спериментальною установкою.
Для здшснення експериментальних дослщжень з визначення змши фь зико-мехашчних властивостей деревини ясена в процес термiчного оброблення використовували зразки довжиною 500 мм, шириною 50 мм та товщи-
ною 50 мм, волопстю 10 %. Зразки деревини укладали мiж нагрiвальними плитами без шпацш. Експериментально задавали тривалють оброблення (т, год) та температуру оброблення (1, °С).
Рис. 2. Шафа керування експериментальною установкою
Технолопчний процес розпочинали iз завантаження заготовок деревини в установку. Заготовки укладали мiж на^вальними плитами, встановлю-вали термометри опору для контролю та вимiрювання температури на повер-хнi та в центрi заготовок. Шсля цього установку герметично закривали та проводили процес термiчного оброблення за заданою програмою.
Як чинники, як впливають на змiну фiзико-механiчних властивостей, у цьому дослiдi було вибрано температуру та тривалють оброблення. Температуру оброблення фжсували на трьох рiвнях (160, 190 та 220 °С). Верхнiм рiвнем температури оброблення було прийнято 220 °С, оскшьки оброблення за вищо! температури призводить до термiчноl деструкцн деревини. Нижшм рiвнем температури прийнято 160 °С, оскiльки термiчне оброблення за ниж-чо! температури не дае ютотно! змiни кольору деревини, що е основною метою такого оброблення. Тривалють оброблення також фжсували на трьох рь внях (4, 10 та 16 год). Експериментальш кривi змiни температури в процес терм1чного оброблення представлено на рис. 3-5.
180
и о 160
в; 140
и 120
О П 100
ю О 80
г;
е 60
1-1 г; 40
гг
20
«5
и
Н 0
Н
о 1
1С 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Трнвашсть оброблення г, год —Температура на поверх™ зразка, °С «^Температура в центр1 зразка, °С Рис. 3. Кнетика процесу термiчного оброблення деревини тривалктю 4 години
за температури 160°С
200
0
180 § 160
Й. 140
1 120 100
й. 80 60
Р
и
| 40
« 20 Ь
о
N
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Трнвашсть оброблення г. год Температура на поверхш зразка. РС Температура в центр1 зразка, °С
Рис. 4. Кнетика процесу термiчного оброблення деревини тривал^тю 4 години
за температури 190 °С
Трнвашсть оброблення г, год Температура на подерхга зразка, °С -■- Щемпература в центр1 зразка, °С
Рис. 5. Кнетика процесу термiчного оброблення деревини тривал^тю 4 години
за температури 220 °С
Методика вимiрювання мiцностi деревини на статичний згин впоперек волокон. Вип-робування здшснювали вщповщно до стандарту ГОСТ 16483.3-84, на зразках у формi брусюв квадратного перерiзу 20*20 мм i довжиною 300 мм, виготовлених iз термiчно оброблених зразюв. Розмiщення рiчних шарiв повинно бути паралельним до одше! пари площин.
Зразок укладали симетрично на двi опори так, щоб зусилля було спрямоване по дотич-нiй до рiчних кiлець. Навантаження подавали згори через шж з радiусом заокруглення крайки 30 мм (рис. 6).
т
I I
(Ш
гп 1 1 120 г 1
1 у 1 240 300 1 У
ня деревини на статичний згин впоперек волокон
Випробування здшснювали до повного руйнування зразка, тобто до часу, коли навантаження буде максимальним. Мщшсть на статичний згин впоперек волокон визначали за формулою
3 • Р • 1
1 тах ' /1 \
'-ИТ*- (1)
де: Ртах - максимальне навантаження, Н; Ь - ширина зразка, мм; к - висота зразка, мм; 1 - вщстань мiж опорами, мм (1 = 240 мм).
За результатами математичного оброблення отриманих даних шд час дослщження мщносл термодеревини ясена на статичний згин впоперек волокон, виведено залежшсть
а = (2,044 • г2 + 62,77 •т2 + 41,944 • г •т) •Ю-3 -1,799 • г -11,928 т + 373,786 МПа .(2)
де: г - температура оброблення, °С; г - тривалють оброблення, год.
Методика вимiрювання ударног в'язкостi деревини. Випробування здшснювали вщповщно до стандарту ГОСТ 16483.4-73, на зразках у формi брусюв квадратного перерiзу 20*20 мм i довжиною 300 мм. Випробування зразюв проводили на маятниковому молот марки МК-10, запас енерги якого становить 100 Дж. Зразок встановлювали у нижнш частинi молота на опорах таким чином, щоб удар головки маятника був спрямований впоперек волокон по дотичнш до рiчних кiлець (рис. 8).
Рис. 7. Залежшсть змши мiцностi на Рис. 8. Схема випробування деревини статичний згин термодеревини ясена вiд наударну в 'язшсть
температури оброблення зарiзно'i трива-лостi оброблення
Шсля удару за шкалою маятникового молота вщраховували роботу Ь, поглинуту зразком шд час його руйнування. Ударну в'язюсть обчислюють за формулою
А = —, (3)
Ь • к У ;
де: Ь - робота, виконана шд час руйнування зразка деревини, Дж; Ь - ширина зразка, см; к - висота зразка, см.
За результатами математичного оброблення отриманих даних шд час дослщження ударно! в,язкостi термодеревини ясена, виведено залежшсть
А = (1,82 • t2 +18,88•т2 + 6,83 • t •т)-10-3 -0,646 • t -1,288т + 82,117 Дж/см2 (4)
Рис. 9. Залежшсть змти ударноИ в'язкостi термодеревини ясена вiд температури оброблення зарiзно'i тривалостi оброблення
Методика вимiрювання твердостi деревини. Статичну твердють дере-вини визначали на стандартних зразках у формi куба iз стороною 50 мм. Вип-робування виконували шляхом вдавлювання сталевого пуансона, у виглядi конуса з кутом загострення за вершини 120°, в радiальну та тангентальну по-верхнi (рис. 10).
Рис. 10. Схема вимiрювання meepdocmi за методом Роквелла
Пуансон вдавлювали почергово в радiальну та тангентальну поверхш. У цей же момент за шкалою твердомiра типу ТШ визначали твердють матерь алу.
За результатами математичного оброблення отриманих даних шд час дослщження статично! твердостi термодеревини ясена на радiальнiй та тан-гентальнiй площинах виведено залежностi:
Нрад= (0,222 • t2 + 36,111т2 + 25,557 • t - 5 • t •т) •Ю-3 +1,277 т + 53,11 одн. за шкл. А (5) Нтанг, = (0,778 • t2 +11,111 •т2 +157,774 • t - 38,896 •т- 2,778 • t •т) •Ю-3 + 67,656 одн. за шкл. А
72
60 н----
160 190 220
Температура оброблення ^ °С -^Функщя статично! тверд оси при трнвалосп оброблення 4 год:, -#-Ф\нкщя статично! тверд осп при трнвалосп оброблення 10 год; -*-Функщя статично! тверд оси при трнвалосп оброблення 16 год.
Рис. 11. Залежнсть змти статично'1 твердостi термодеревини ясена вiд тем-ператури оброблення зарiзно'i тривалостi оброблення нарадiальнiй площиш
75 п----
55
50 Н----
160 190 220
Температура оброблення 1:, °С
— Функщя стат1пно1 твердосп при трнвалосп оброблення 4 год; -#— Функщя статично! твердосп при трнвалосп оброблення 10 год, Функщя статично! твердосп при трнвалосп оброблення 16 год. Рис. 12. Залежшсть змши статично'1 твердостi термодеревини ясена вiд температури оброблення зарiзно'iтривалостi оброблення на тангентальнш
площиш
Висновок. На шдставi отриманих математичних моделей можна зро-бити таю висновки:
• на змшу мщност1 тд час статичного згину впоперек волокон (ст) та зм1ну статично! твердости на тангентальнш площиш (Нтанг ) найб1льше впливае температура оброблення;
• на змшу ударно! в'язкост (А) та зм1ну статично! твердости на рад1альнш площиш (Нра&) найб1льше впливае тривалшть оброблення;
Отриманi математичнi моделi дають змогу визначити величини ре-жимних параметрiв технологiчного процесу термiчного оброблення деревини ясена за вакуумно-кондуктивною технолопею для отримання продукцii з вщ-повiдними фiзико-механiчними параметрами.
Встановлено, що мiцнiсть на статичний згин для термооброблено! де-ревини ясена за температури оброблення 160, 190 та 220 °С та за тривалост оброблення 10 годин вщповщно до показника мщност на статичний згин контрольного зразка, знизилися на 14,3, 32,8 та 47,9 %.
Ударна в'язюсть термооброблено! деревини ясена за температури оброблення 160, 190 та 220 °С та за тривалост оброблення 10 годин вщповщно до показника ударно! в'язкост контрольного зразка, збшьшилися на 17,4, 7,8 та 11,6 %.
Твердють термооброблено! деревини ясена на радiальнiй площинi за температури оброблення 160, 190 та 220 °С та за тривалост оброблення 10 годин вщповщно до показника твердостi на радiальнiй площинi контрольного зразка, збшьшилися на 0,9, 2,6 та 5,7 %.
Твердють термооброблено! деревини ясена на тангентальнш площинi за температури оброблення 160, 190 та 220°С та за тривалост оброблення 10 годин вщповщно до показника твердост на тангентальнiй площинi контрольного зразка, змшилися на +1,8, -4,42 та -12,7 %.
Лггература
1. В1нтон1в 1.С. Деревинознавство : навч. поабник. - 2-ге вид., [доповн.] / 1.С. Вштошв, 1.М. Сопушинський, А. Тайшшгер. - Льв1в : Изд-во "АпрюрГ1, 2007. - 321 с.
2. ГОСТ 16483.3-84 (СТ СЭВ 390-76). Древесина. Метод определения предела прочности при статическим изгибе. Статус: действует. Текст документа: присутствует. - М. : Государственный Комитет СССР по стандартам. - 7 с.
3. ГОСТ 16483.4-73 от 01.07.1984 (текст интегрирован в текст или описание стандарта) Другие ГОСТы. ГОСТ 16483.6-80. Древесина. Метод отбора модельных деревьев и кряжей для определения физико-механических свойств древесины насаждений. - М. : Государственный Комитет СССР по стандартам. - 6 с.
Губер Ю.М., Гуменюк Ж.Я., Илькив M.M. Экспериментальные исследования изменения физико-механических свойств древесины в процессе вакуумно-кондуктивного термического обрабатывания
Приведена методика и результаты экспериментальных исследований изменения физико-механических свойств древесины ясеня в процессе вакуумно-кондуктивного термического обрабатывания. Получены математические и графические зависимости физико-механических свойств древесины ясеня от режимных параметров процесса термического обрабатывания. Установлено, что прочность на статический изгиб для термообработанной древесины ясеня при температуре обрабатывания 160, 190 и 220°С и при длительности обрабатывания 10 часов в соответствии с показателем прочности на статический изгиб контрольного образца, снизились на 14,3, 32,8 и 47,9 %.
Huber Yu.M., Humenyuk Zh.Ya., Il'kiv M.M. Experimental investigation of physicals and mechanicals properties change the wood of the vacuum-contact thermal process
Method and results of the experimental investigation of physicals and mechanicals properties change the wood of ash of the vacuum-contact process. Mathematical and graphic dependences are got physicals and mechanicals properties the wood of ash from operating conditions of the thermal process. It is set that durability on a static bend for the heat-treated wood of ash at the temperature of treatment 160, 190 and 220°С and at duration of treatment 10 hours in accordance with the index of durability on the static bend of control standard, went down on 14,3, 32,8 and 47,9 %._
