CC BY
51
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПРОДОЛЬНОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ И ПИЛЕНИЯ
термически модифицированной древесины дуба
Е.С. ШАРАПОВ, доц. каф. деревообрабатывающих производств Поволжского ГТУ, канд. техн. наук,
А.С. КОРОЛЕВ, асп. каф. деревообрабатывающих производств Поволжского ГТУ
Древесина сегодня является одним из наиболее распространённых материалов, широко используемых в строительстве и других отраслях народного хозяйства. Основными преимуществами древесины как материала являются восстанавливаемость ресурсов, экологичность использования и высокие прочностные характеристики при относительно небольшой плотности. Однако древесина и материалы на ее основе подвержены воздействию дереворазрушающих грибов, снижающих ее механические и эксплуатационные характеристики. В этой связи разработаны и исследуются различные способы защиты древесины и древесных материалов. Одной из актуальных на сегодняшний день технологий повышения биологической стойкости древесины является ее термическая модификация. Древесина проходит процесс выдержки при высоких температурах от 180 °С [1, 2, 9-12]. Главной особенностью термически модифицированной древесины (ТМД) является сочетание высокой биологической стойкости, физико-механических характеристик и экологичности натуральной древесины. Эксплуатационные характеристики и биологическая стойкость материала существенно повышаются [10-12], также увеличиваются срок службы и теплоизоляционные свойства древесины [9-12], что способствует повышению спроса на данный продукт на рынке строительных материалов. Однако, как отмечают многие отечественные и зарубежные исследователи, одним из основных недостатков термически модифицированной древесины является незначительное снижение некоторых механических характеристик, зависящее от максимальной температуры и длительности процесса обработки [1, 9-12].
Исследованию процессов механической обработки древесины и древесных материалов посвящено множество работ, здесь необходимо
sharapov_evgeniy@mail.ru
отметить заслуги отечественных научных школ по изучению процессов резания [3, 4]. Термически модифицированная древесина - материал относительно новый и малоизученный. Исследования процессов обработки термически модифицированной древесины резанием представлены крайне незначительно. В частности, существуют работы по изучению процессов элементарного резания и качества поверхности обработки термически модифицированной древесины березы (Butulapendula) [5, 6].
Целью исследований, результаты которых представлены в данной работе, являлось определение взаимосвязи мощности, затрачиваемой на процессы продольного цилиндрического фрезерования и пиления термически модифицированной древесины дуба (Qunrcus гуЬш), с максимальной температурой ее обработки (классом модификации).
Оборудование и инструмент, использованные в эксперименте: комбинированный деревообрабатывающий станок JET Performax PKM-300, устройство автоподачи с бесступенчатым изменением скорости, измерительный шлейф на основе устройства сбора данных (УСД) «National Instruments» USB-6008, электронный штангенциркуль «Matrix», металлическая линейка, индикатор часового типа ИЧ-10-2М, ЭВМ с установленным лицензионным программным комплексом «LabVIEW 8.6».
Для осуществления экспериментальных исследований процессов продольного цилиндрического фрезерования и пиления ТМД круглой пилой был разработан измерительный шлейф (рис.1), основу которого составляют устройство сбора данных «National Instruments» USB-6008, датчик измерения переменного напряжения ДНТ-03 и разработанный модуль измерения переменного тока, основанный на мос-
96
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
товой схеме выпрямления сигнала. УСД служит для преобразования сигналов, поступающих с датчика измерения переменного напряжения и модуля измерения переменного тока, передачи данных на ЭВМ, где с помощью разработанной блок-диаграммы (рис. 2) в среде графического программирования «LabVIEW» осуществляются математические преобразования, графическое отображение, запись и хранение результатов исследований [7, 8].
При разработке блок-диаграммы в среде управления данными «LabVIEW» использованы экспресс-виртуальные приборы (ВП), обеспечивающие управление данными, поступающими с датчика измерения переменного напряжения и модуля измерения переменного тока. На рис. 2 (слева) изображен виртуальный прибор определения мощности на резание, расходуемой электроприводом экспериментальной лабораторной установки.
Разработанная блок-диаграмма осуществляет фильтрацию цифровых сигналов (FFT-фильтр), поступающих с УСД, по потребляемому электроприводом току и напряжению сети и математические преобразования данных с учетом результатов предварительных исследований и тарировки датчика переменного напряжения и модуля измерения переменного тока. Тарировка датчика переменного напряжения и разработанного модуля измерения переменного тока осуществлялась с помощью цифрового мультиметра UT-60G (порт RS-232C). Отдельная серия опытов проводилась для поиска взаимосвязи значения коэффициента мощности соБф с величиной электрического тока, потребляемого электродвигателем установки. Значения величин мощности, потребляемой приводом, определялись перемножением действующих значений переменного тока, напряжения сети и коэффициента мощности в режиме реального времени.
Лицевая панель виртуального прибора состоит из трех цифровых осциллографов и элементов управления (рис. 2). В процессе продольного фрезерования и пиления ТМД дуба круглой пилой на цифровых осциллографах отображались и сохранялись данные силы переменного тока, напряжения сети и мощности на резание с учетом мощности хо-
лостого хода. На рис. 2 показана лицевая панель виртуального прибора ВП с цифровыми осциллографами, отображающими в реальном времени силу переменного тока, напряжения сети и мощность, потребляемую электроприводом (пиление ТМД дуба при максимальной температуре модификации 200 °С, скорости подачи 3 м/мин и высоте пропила 30,4 мм).
Согласно методике проведения исследований, первоначально осуществлялся процесс термической обработки древесины дуба по трем классам модификации (режимы обработки при максимальной температуре в 180 °С, 200 °С и 220 °С). С учетом направления волокон и конструктивных особенностей лабораторной установки были изготовлены образцы с варьируемой высотой пропила h (25,4; 30,4 и
36,2 мм) для исследования процесса пиления ТМД дуба круглой пилой, а также образцы для исследования процесса продольного цилиндрического фрезерования с постоянной шириной обработки в 75 мм. Образцы были выдержаны до равновесной влажности в условиях отапливаемого помещения.
Исследования процессов механической обработки ТМД осуществлялись на экспериментальной лабораторной установке с номинальной мощностью электропривода 2100 Вт и частотой вращения вала 4200 об./мин. Образцы подавались при помощи устройства автоподачи с номинальной мощностью привода 160 Вт и фиксированными скоростями, значение глубины фрезерования выставлялась на установке при помощи индикатора (таблица, рис. 1), а высота пропила фиксировалась при помощи электронного штангенциркуля. Пиление осуществлялось плоской дисковой пилой с зубьями, оснащенными пластинками из твердого сплава, диаметром 250 мм, толщиной пропила 3 мм, с количеством зубьев 32 шт. Фрезерование осуществлялось плоскими ножами с прямолинейной режущей кромкой при диаметре резания 74 мм, количество ножей 3. В ходе эксперимента использовались периодически затачиваемые ножи из стали марки Х6ВФ. Контурный угол резания при фрезеровании составлял 48°, при пилении 67°. На основе результатов предварительных экспериментов и объема исследуемого материала
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
97
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Рис. 1. Схема измерительного шлейфа (слева): 1 - ЭВМ, 2 - устройство сбора данных, 3 - модуль определения переменного тока, 4 - трансформатор тока ТОП-0,66 10А/5А, 5 - амперметр, 6 - датчик переменного напряжения ДНТ-03, 7 - внешнее токозадающее сопротивление, 8 - нагрузочное сопротивление, 9 - источник питания датчика переменного напряжения, 10 - электродвигатель; лабораторная установка (справа)
Рис. 2. Блок-диаграмма виртуального прибора для исследования процессов механической обработки древесины (слева); лицевая панель виртуального прибора для исследования процессов механической обработки древесины (справа)
количество повторных опытов было принято равное трем.
Исходя из анализа факторов, влияющих на энергосиловые параметры процессов механической обработки и технических характеристик лабораторной экспериментальной установки, были выбраны варьируемые
Таблица
Наименование и уровни варьирования факторов
№ Наименование фактора Уровни варьирования
Глубина фрезерования, мм 1 1,5 2
*2 Высота пропила, мм 25,4 30,4 36,2
*3 Скорость подачи, м/мин 2 3 4
факторы эксперимента, а также пределы их варьирования для продольного цилиндрического фрезерования и для продольного пиления круглой пилой (таблица). Было принято решение о постановке классического эксперимента.
Математические преобразования, графическое представление и статистическая обработка результатов исследований осуществлялись в программных комплексах «MSExcel» и «Statistica 8.0».
Обобщенные результаты экспериментальных исследований процесса продольного пиления и цилиндрического фрезерования ТМД дуба представлены на «Box plot» графиках, рис. 3-5:
По результатам исследований можно предположить, что использование разрабо-
98
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
Рис. 3. Результаты экспериментальных исследований процесса пиления термически модифицированной древесины дуба при скорости подачи 2 м/мин (слева), 3 м/мин (справа)
Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований процесса пиления термически модифицированной древесины дуба при скорости подачи 4 м/мин (слева); фрезерования термически модифицированной древесины дуба при скорости подачи 2 м/мин (справа)
Рис. 5. Результаты экспериментальных исследований процесса фрезерования термически модифицированной древесины дуба при скорости подачи 3 м/мин (слева), 4 м/мин (справа)
танного измерительного шлейфа на основе УСД «National Instruments» USB-6008 позволяет наглядно и с высокой точностью определять энергосиловые параметры процессов механической обработки древесины и древесных материалов.
На основании того, что полученные данные величин мощности на пиление и фрезерование ТМД не подчиняются распределению Гаусса, но объем выборок был значителен (п > 6000), для их анализа применялась параметрическая статистика. Был использован дисперсионный анализ - сравнение сред-
них значений выборок по F-критерию и однородности их дисперсий по критерию Левена (95-процентный доверительный интервал). Результаты обработки данных подтвердили статистически значимую разницу всех групп выборок экспериментов. При повышении максимальной температуры процесса термической модификации древесины дуба наблюдается статистически значимое снижение мощности на ее продольное пиление круглой пилой при различных скоростях подачи и высоте пропила (таблица) в среднем на 7,2 % для древесины дуба, модифицированной при
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
99
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
максимальной температуре 180 °С; 14 % и 21 % соответственно для древесины дуба, модифицированной при 200 °С и 220 °С, по сравнению с немодифицированной. Для процесса продольного фрезерования при различных скоростях подачи и глубины фрезерования (таблица) наблюдается снижение мощности в среднем на 44 % для древесины дуба, модифицированной при максимальной температуре 180 °С; 30 % и 50 % соответственно для древесины, модифицированной при 200 °С и 220 °С, по сравнению с немодифицированной.
Важным фактором являются исходные физико-механические свойства древесины (до процесса термообработки), оказывающие непосредственное влияние на свойства ТМД, что подтверждается снижением мощности на пиление древесины дуба в ходе экспериментов при высотах пропила 30,4 мм и 36,2 мм.
Развитие исследований в обозначенном направлении будет осуществляться путем использования других пород древесины, модернизации существующей теории резания применительно к ТМД и определения взаимосвязей энергосиловых характеристик процессов обработки резанием с основными физико-механическими свойствами ТМД.
Библиографический список
1. Владимирова, Е.Г. Технология производства заготовок из термически модифицированной древесины: дис. ... канд. техн. наук / Е.Г. Владимирова. - М., 2012. - 22 с.
2. Сафин, Р.Р. Разработка технологии и аппаратурного оформления термомодифицирования древеси-
ны в жидкостях / Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Р.А. Халитов, Е.И. Байгильдеева // Вестник Казанского технического ун-та. - Казань, 2012. - № 3. - С. 131-133.
3. Любченко, В.И. Резание древесины и древесных материалов: учебное пособие для вузов / В.И. Любченко. - М.: Лесная пром-сть, 1986. - 296 с.
4. Бершадский, А.Л. Резание древесины: учебное пособие / А.Л. Бершадский. - Минск: Вышэйш. школа, 1975. - 304 с.
5. Шарапов, Е.С. Экспериментальные исследования процесса резания термически модифицированной древесины березы / Е.С. Шарапов, Е.Ю. Разумов, А.С. Королев, Д.А. Попов // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2011. - № 3. - С. 125-128.
6. Шарапов, Е.С. Исследование шероховатости поверхности резания термически модифицированной древесины березы / Е.С. Шарапов, А.С. Королев, Д.А. Попов // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2011. - № 5. - С. 118-121.
7. Тревис, Дж. LabVIEW для всех: пер. с англ. Н.А. Клушин / Джеффри Тревис. - М.: ДМК Пресс; Прибор Комплект, 2005. - 544 с.
8. Шарапов, Е.С. Результаты экспериментальных исследований свойств древесины круглых лесоматериалов по радиусу ствола / Е.С. Шарапов, А.С. Торопов, В.Ю. Чернов // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2012. - № 2. - С. 162-168.
9. Militz, H. (2002). Thermal Treatment of Wood: European Processes and Their Background. IRG/WP 02-40241, 33rd Annual Meeting, 12-17 May, Cardiff-Wales, 4: 1-17.
10. Hill, C.A.S. (2006). Wood modification - chemical, thermal and other processes. Chichester, UK: John Wiley and Sons.
11. Boonstra, M. J. (2008). A two-stage thermal modification of wood. Ph.D. dissertation in cosupervision Ghent University and Universiffi Henry Poincam - Nancy 1,297 p.
12. Finnish Thermo Wood Association (2003).
ThermoWood Handbook. Helsinki, Finland.
РАСЧЕТ СТРУНЫ ГИТАРЫ APT. 386 МЕТОДОМ СИЛ
В.И. КОРОЛЕВ, проф., д-р техн. наук,
М.И. ВАСИЛЬЕВ, доц. каф. технической механики МГУЛ, канд. техн. наук
При конструировании музыкальных инструментов выходными параметрами являются частота основного тона, тембр и звуковое давление. Тембром называется спектр частот волнового цуга, ограниченный огибающей и воспринимаемый человеческим ухом. Тембр
mvasilev@mgul.ac.ru
гитары арт. 386, образуемый струной и декой, например, для открытой струны ре большой октавы насчитывает 5 гармоник [1], причем 3 гармоники имеет струна и 3 гармоники дека. С учетом того, что третья гармоника струны и первая гармоника деки совпадают, т.к. их час-
100
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
