CC BY
77
ДЕРЕВООБРАБОТКА
ОБЪЕМНАЯ ТВЕРДОСТЬ КАК ФАКТОР РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
А.П. КОМИССАРОВ, проф. каф. деталей машин и графики УрГСХА, д-р техн. наук, Е.А. ПАМФИЛОВ, проф. БГИТА, д-р техн. наук,
Ю.И. ТРАКАЛО, доц. УГЛТУ, канд. техн. наук,
Ю.Б. ЛЕВИНСКИИ, проф. каф. древесиноведения УГЛТУ, канд. техн. наук
При создании эффективных технологий тепловой обработки древесины уделяется особое внимание обоснованию и подбору рационального способа нагрева, определению экономичного режима, обеспечивающего сохранность физико-механических показателей и природных характеристик материалов.
Однако недостаточная изученность изменения свойств древесины в процессе ее тепловой обработки не позволяет во многих случаях осуществить выработку эффективных технологий. Поэтому важно изыскать технически приемлемые и достоверные способы определения таких показателей, как твердость, плотность, жесткость, модуль упругости.
Известно, что твердость древесины зависит от ее влажности и температуры нагрева. Кроме того, на величину твердости в значительной степени влияет структура древесины и направление волокон. Поэтому для учета совокупности вышеперечисленных факторов необходимо пользоваться интегрированным показателем твердости древесины, т.е. объемной твердостью. Такая характеристика при определенных значениях влажности и температуры позволит более точно прогнозировать состояние древесины в процессе строгания, лущения и прессования, а следовательно, получать продукцию более высокого качества.
Испытания на статическую твердость по Б.Н. Уголеву [1] проводят на торцовой, радиальной и тангенциальной поверхностях образца древесины путем вдавливания стального пуансона. Образцы изготавливают в форме прямоугольной призмы сечением 50 х 50 мм и длиной по направлению волокон не менее 50 мм. Для испытаний используется пуансон с полусферическим наконечником, который вдавливается в древесину за 1-2 мин на глубину радиуса 5,64 мм (это определяется по показаниям индикатора). В конце нагружения
по шкале силоизмерителя машины регистрируют величину нагрузки РН. Площадь проекции отпечатка - 100 мм2. Результаты определения твердости древесины различных пород этим методом используются для теоретических и практических расчетов, не связанных с ее нагреванием.
При изменении температуры древесины ее физико-механические показатели, в т.ч. и твердость, также изменяются. Это отражается на качестве обработки материала, например при получении строганого шпона. Объемная твердость - это интегрированная оценка, которая определяется без разделения показателей по направлениям годичных слоев или волокон древесины. Для лабораторного испытания используются прямоугольные призмы сечением 50 х 50 мм (рис.1).
о
1П
Рис. 1. Образец древесины для определения объемной твердости: 1 - зона внедрения пуансона в древесину; 2 - угол наклона волокон древесины к оси образца
Особенность их состоит в том, что волокна древесины располагаются под углом 45° с таким расчетом, чтобы 1/3 сектора пуансона соприкасалась с торцовой поверхностью, 1/3 - с радиальной и 1/3 - с тангенциальной поверхностью. Пуансон с полусферическим наконечником вдавливается за 1-2 мин на глубину по радиусу 2,82 мм, а в конце нагружения по шкале силоизмерителя машины отсчитывают нагрузку Р. В отличие
184
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 8/2007
ДЕРЕВООБРАБОТКА
от классического метода в данном случае необходимо знать степень сопротивления древесины вдавливанию пуансона не по площади проекции, а по ее объему. При проведении исследований было установлено, что процесс определения так называемой объемной твердости складывается из трех основных этапов (рис. 2).
с—з
а
в
Рис. 2. Внедрение пуансона в древесину: а - первая фаза внедрения (0,7 мм), б - вторая фаза внедрения (2,8 мм), в - третья фаза внедрения (5,64 мм)
I этап - вдавливание на глубину от 0 до 0,7 мм, который сопровождается прогибанием поверхности древесины. При этом Рмин (1,5 слоев - 1,5 %). II этап - разрушение структуры (волокон) древесины на глубину от 1,6 до
2,1 мм, (всего 2,8 мм). При этом Риск (4,1 слоя - 43,5 %). III этап - прессование разрушенной структуры (волокон) древесины на глубину от 2,9 до 5,64 мм. При этом Р . (7,5 слоев -55,0 %). Таким образом, внедрять пуансон на глубину более 2,8 мм не имеет смысла.
Второй этап взаимодействия пуансона испытательного устройства с образцом характеризует разрушение структуры древесины и дает объективную оценку ее объемной твердости по одновременно складывающимися с трех сторон (в трех направлениях волокон древесины) сопротивлениям. Исследования подтверждают, что средняя величина заглубления пуансона в конце второй фазы составляет 2,8 мм. При этом для измерения размеров отпечатка использовался микроскоп МПБ-2 и индикатор. Аналогичный процесс описан в книге Б.Н. Уголева [1], где приведена типичная трехфазная диаграмма сжатия, отражающая связь между напряжениями и деформациями (рис. 3). Необходимо точно определить момент отсчета по шкале силоизмерителя нагрузки Р, а именно до резкого пе-
рехода в третью фазу, когда начинает происходить уплотнение древесины (прессование). В процессе получения шпона очень важно точно знать необходимую температуру нагрева бруса, чтобы обеспечить высокое качество шпона.
Глубина внедрения, мм
Рис. 3. График зависимости твердости древесины от глубины внедрения пуансона
При срезании листов шпона на шпонострогальном станке присутствуют все три разреза: тангенциальный, радиальный и по направлению волокон. Такое положение обусловлено тем, что строгание брусьев осуществляется от вершинной части к комлевой. Кроме этого, нож шпонострогального станка имеет угол наклона до 12° по отношению к направлению перемещения суппорта станка. Шпон получается в основном тангенциального и радиального среза. Полуторцовый срез при строгании бруса также присутствует ввиду наличия угла наклона волокон в брусе и наклона ножа по отношению к направлению строгания. Поскольку шпона торцового среза не существует, то определять объемную твердость на торцевом разрезе не имеет практического смысла. По Б.Н. Уголеву [1] у большинства пород древесины наибольшее значение твердости наблюдается на тангенциальном разрезе.
При исследованиях, решая задачу получения высококачественного шпона тангенциального разреза (определяя оптимальную температуру нагрева древесины при ее строгании), мы установили, что радиальный шпон необходимо вырабатывать при этой же температуре. Очевидно, что определять объемную твердость на радиальном разрезе также нет
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007
185
ДЕРЕВООБРАБОТКА
необходимости. Экспериментально-опытные изыскания показали, что величина объемной твердости на радиальном разрезе меньше, чем на тангенциальном. Поэтому образец (рис. 1) имеет на верхней поверхности тангенциальный разрез, где указано точкой место внедрения головки пуансона. Проводить опыты на других разрезах не имело смысла, т.к. при внедрении пуансона (рис. 1) в точке 1 мы получаем совокупность сопротивления волокон древесины, ориентированных под углом 45° (трех разрезов), т.е. объемную твердость. Примененная методика исследований по определению объемной твердости согласуется с принципами проведения исследований на древесине Б.Н. Уголева [1]. В частности, утверждается, что модули упругости могут быть определены косвенным путем при испытании на сжатие образцов, оси которых параллельны одному из главных направлений упругой симметрии и составляют углы 45° с другими главными направлениями.
Определение объемной твердости связано с двумя процессами.
1. Процесс вытеснения древесины, составляющей объем V и соответствующий объему начального сегмента.
2. Процесс вдавливания вытесненной древесины, обволакивающей головку пуансона, ввиду высоких коэффициентов трения соприкасающихся материалов сопровождается увеличением поверхности шарового сегмента, которая фактически сформирует несколько увеличенный объем V2.
Некоторая величина нагрузки будет приходиться на объем V3 = V2 - V1. После определения объема шарового сегмента V4 с учетом V3 и сравнивая его с объемом сектора, в котором не учитывается объем вдавливаемой древесины V3 было установлено, что при заданных размерах R и h формулы дают близкую величину объема и ошибка при этом составила 2,2 %. В качестве основной была принята формула объема сектора. Исходя из этого получаем формулу для определения твердости с учетом объема вдавливаемой древесины или объемной твердости
о = 3P / nR3 кН/ м3. (1)
В данном случае полученная интегральная величина «объемной твердости» ос-
нована на сущности метода интегрального исчисления [3], применяемого для решения математических и физических задач. Сущность вычислений состоит в том, что через определенные интегралы выражаются не только площади, но и объемы. Это и было принято за основу понимания «объемной твердости» как физической величины, а не математической. В данном конкретном случае «объемная твердость» древесины - это одновременно полученная совокупность сопротивлений, препятствующих вдавливанию головки пуансона в древесину, сочетающая в объеме три разреза (вида): тангенциальный, радиальный и торцовый.
На практике тепловой поток при нагреве сортиментов фактически осуществляется по всем трем направлениям: радиальному, тангенциальному и торцовому, т.к. чистых разрезов древесины при выработке из нее шпона или других продуктов нет. Чтобы выразить результат воздействия всей совокупности направлений теплового потока, необходимо это выполнить через адекватную величину, которой может быть жесткость древесины.
Жесткость древесины - это опосредованная величина, характеризующая особенности каждой породы, оказывающая при размягчении определенное сопротивление воздействию температуры среды. Для этой цели вводится понятие безразмерной величины жесткости, выражающейся отношением объемной твердости к плотности, которая характеризует степень сопротивляемости древесины тепловому воздействию. Благодаря введению нового понятия безразмерной величины жесткости и на основании проведенных исследований на древесине лиственницы, березы, ясеня составлены режимы гидротермической обработки брусьев, ванчесов в насыщенном паре при температуре 100 °С для 12 пород древесины, дана зависимость оптимальной температуры нагрева от жесткости древесины.
Под оптимальной температурой понимается температура, когда эластичность периферийных и центральных зон имеет одинаковое значение, т.е. наиболее соответствует условиям строгания древесины на фанеро-
186
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007
ДЕРЕВООБРАБОТКА
строгальном станке и решает при этом задачу получения высококачественного шпона. В этом случае отпадает необходимость при определении тепловых коэффициентов пользоваться большим количеством разнообразных фиксированных величин, учитывающих структуру и физические особенности древесины, так как в понятие жесткость они вошли в скрытом виде. Что касается таких особенностей отдельных пород, как пористость, процент поздней древесины, то их влияние на тепловые коэффициенты может быть выражено также через жесткость.
С повышением влажности и температуры жесткость уменьшается, а эластичность возрастает. Проверка результатов исследования по методике Н.Л. Леонтьева
[4] доказывает правомерность понятия объемная твердость. При строгании древесины нож шпонострогального станка проходит под некоторым углом к волокнам древесины, и поэтому срезание слоя осуществляется в продольно-поперечном направлении. При резании от кончика лезвия ножа древесина испытывает сначала сжатие вдоль волокон и затем перерезание их. Воспользуемся формулой Н.Л. Леонтьева [4], которая позволяет определить влияние температуры на прочность древесины
а = ^ - в (t - 20), (2)
где в - поправочное число на температуру, МПа, (ель - 0,25, сосна - 0,35, лиственница, ясень - 0,45); t - ель (35°), сосна (40°), лиственница (45°), ясень (70°) (экспериментальные данные авторов); а20 -ель (19), сосна (21), лиственница (25), ясень (36), МПа.
Расчет показал, что рекомендуемые значения температур, полученные с помощью объемной твердости, находят подтверждение в том, что строгание перечисленных пород древесины происходит при одной и той же величине сжатия вдоль волокон - 14-15 МПа, полученной благодаря нагреванию каждой породы древесины до необходимой температуры, которая обеспечивает получение шпона высокого качества. Введение понятия объемная твердость подтверждается и другими исследователями, но не для древесины, а для металлов [5].
Благодаря введению нового понятия объемная твердость древесины, удалось выявить и научно обосновать:
1. Зависимости степени жесткости древесины от плотности, объемной твердости, влажности и температуры нагрева древесины.
2. Метод определения необходимой температуры нагрева древесины для получения высококачественного строганого шпона в зависимости от состояния и структуры древесины.
3. Зависимость величины шероховатости поверхности шпона от температуры нагрева древесины.
4. Метод определения расхода тепла на нагревание древесины при ее пропаривании.
5. Режимы гидротермической обработки древесины, предназначенной для получения шпона на шпонострогальных станках.
Кроме того, при расчетах деревянных конструкций на прочность используют данные физико-механических свойств, приведенные в книге Б.Н. Уголева [1]. Однако на разрушение конструкций при эксплуатации большое влияние оказывает термоклиматическое воздействие среды, когда температура изменяется от -50° до +50°, а древесина то впитывает влагу, то отдает ее в атмосферу. Использование показателя объемной твердости позволяет дать дополнительную оценку состояния конструкций по степени жесткости или эластичности. Из вышеизложенного следует, что введение понятия объемная твердость расширяет возможности теории и практики проблем тепловой обработки древесины, обеспечения качества и надежности изделий.
Библиографический список
1. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения / Б.Н. Уголев. - М.: МГУЛ. - 2001.
2. Выгодский, М.Я. Справочник по элементарной математике / М.Я. Выгодский - М.: Наука - 1968.
- С. 317.
3. Советский энциклопедический словарь. Раздел интегральное исчисление - М., 1982. - С. 500.
4. Леонтьев, Н.Л. Техника испытаний древесины / Н.Л. Леонтьев. - М.: Лесная пром-сть, 1970.
5. Золотаревский, В.С. Механические свойства металлов / В.С. Золотаревский. - М.: Металлургия.
- 1983.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007
187
