CC BY
22
ДЕРЕВООБРАБОТКА
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛАЖНОСТНЫХ, ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ ЯСЕНЯ
В.П. ГАЛКИН, доц. каф древесиноведенияМГУЛ, канд. техн. наук
vgalkin@mgul. ac. ru
Растрескиванию при сушке наиболее подвержены пиломатериалы тангенциальной распиловки. Основной причиной этого служит максимальное значение усушки и минимальное значение прочности древесины в тангенциальном направлении. Поэтому исследование указанных свойств древесины в тангенциальном направлении имеет приоритетное значение.
С целью исследования деформаций и прочности древесины поперек волокон была разработана экспериментальная установка. Для исследования использовали образцы малого размера: толщиной в радиальном направлении 3-4 мм, шириной вдоль волокон 17 мм и длиной в тангенциальном направлении 60 мм. В установке образец зажимался захватами таким образом, чтобы рабочая часть его составляла 30 мм. К образцу прикладывалась нагрузка, регулируемая с помощью микрометрического винта или съемных грузов. Растягивающее усилие, воздействующее на образец, контролировалась тензометрическим силоизмерителем. Деформация образца непрерывно измерялась индикатором часового типа ИЧ-10 с ценой деления 0,002 мм. В процессе эксперимента образец находился в камере с регулируемой температурой и влажностью воздуха. Управление параметрами воздуха осуществляли с помощью двухканального измерителя-регулятора ТРМ202 производства фирмы «ОВЕН», а влажность испытуемого образца древесины контролировали влагомером Sh 0401 производства ЗАО Научная электроника. Емкость, расположенная под образцом, позволяла погружать его в воду, не прерывая процесс измерения деформации. Поверхность образца сверху и снизу омывалась потоком воздуха, скорость циркуляции которого регулировалась.
На основании исследований влияния температуры на усушку древесины ясеня было установлено, что зависимость усушки
от текущей влажности включает два диапазона. На первом нелинейном, термозависимом диапазоне от WnH до 15 %, значение усушки снижается с увеличением температуры. На втором диапазоне, от 15 % влажности и менее, величина усушки не зависит от температуры. Для обеспечения точности инженерных расчетов допустимо нелинейную зависимость усушки от влажности на первом диапазоне заменить линейной зависимостью. При этом зависимость усушки от влажности, определяется следующими выражениями
Р =
0 при 0,75р
W>W,
WT
пн W
ш —— -I- 0,75РП
ПН
при 15 <WT<WnH . (1)
.[^(1-0,05^) при W< 15%
Предел насыщения клеточных стенок древесины WnH характеризуется максимально возможным содержанием в древесине связанной воды: адсорбционной и микрокапиллярной [1]. Капиллярные силы, удерживающие воду, ослабевают при увеличении температуры [2]. Поэтому значение WnH зависит от температуры и определяется выражением
WnH = 20 + 0,125(100 - t °C). (2)
Дифференциальный коэффициент усушки К определяется следующим выражением
ГРл^/20 при 1Г<15%
К,= 0,25-р^/№я-15%) (3)
[при 15 %<W<WnH W
Модуль упругости и предел прочности определяли на образцах различной влажности, при трех температурных уровнях 20, 60 и 80 °С. В результате исследований были получены выражения для расчета модуля упругости и предела прочности, зависящих от температуры и влажности древесины
210
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2010
ДЕРЕВООБРАБОТКА
р_/[-21,8+(0,148-/°С)]-Ж1.+(902-6,6/оС) npu$<W< WnH Ь Ц-21,8 +(0,148-t°C)] •WnH +(902 -6,6ГС) при W> %н '
J[-0,394 +(0,0024-t°C)\-WT +(14,9-0,09/°C) npuO < W< Wm Vw [_o, 394 + (0,0024 ■ *°C)] • WnH + (14,9 - 0,09t°C) при W> WnH '
где WT - текущая влажность древесины;
W - влажность предела насыщения клеточных стенок древесины.
(4)
(5)
Усушка редуцированная/усушка свободная
Рисунок. Влияние величины нагрузки на степень редуцирования усушки, древесина ясеня, тангенциальное направление, температура 80 °С
Влияние напряжений на величину усушки исследовали по следующей методике. Вначале образец высушивали до достаточно сухого состояния (W ~ 1-2 %) при температуре 80 °С и измеряли деформацию от усушки. По величине этой деформации рассчитывали значение свободной усушки. Затем образец увлажняли в воде и измеряли деформацию от разбухания. Наблюдалось полное восстановление первоначальных размеров. Далее образец прогревали до температуры 80 °С, нагружали и высушивали до прежнего состояния (близкому к сухому), измеряя деформацию от усушки. По величине деформации после разгрузки образца рассчитывали новое значение усушки, которое назвали «редуцированной усушкой». Затем образец увлажняли в воде, измеряя свободное разбухание. При этом наблюдалось практически полное восстановление первоначальных размеров образцов. Результаты экспериментов представлены в виде графика, приведенного на рисунке и отражающего влияние нагрузки на степень редуцирования усушки. Коэффициент К, представляет собой отношение редуцированной усушки в* к свободной усушке р.
На этом же графике представлена зависимость, построенная по данным Н.Н. Чу-лицкого [3] для древесины бука. Более высо-
кое значение углового коэффициента в этой зависимости объясняется двумя причинами: во-первых, значение усушки измерялось при действии нагрузки и, во-вторых, бук обладает более высокой податливостью по сравнению с ясенем.
Как видно из рассматриваемой зависимости, при малых напряжениях, нагрузка не оказывает существенного влияния на усушку древесины. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к пропорциональному снижению усушки.
Влияние растягивающей нагрузки целесообразно оценивать по отношению действующих напряжений к пределу прочности древесины при растяжении о/опр. С достаточной для инженерных расчетов точностью, зависимость редуцированной усушки от растягивающей нагрузки о/опр, определяется выражением
в* =\
в при
о
< 0,3
о
в(-1,4• —+1,55) при —> 0,3
. (6)
о
о
' ПР ^ ПР
Зависимость коэффициента редуцированной усушки К*р от растягивающей нагрузки о/о, определяется выражением
К*
К* при о / оПР < 0,3 * К*(-1,4-^ +1,55) при о/оПР > 0,3 . (7)
о ПР
Замороженная усушка представляет разницу между свободной и редуцированной усушкой.
Выводы
С помощью разработанной экспериментальной установки выполнены исследования на тангенциальных образцах древесины ясеня и получены следующие результаты: - исследовано влияние температуры на усушку древесины и получены зависимос-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2010
211
