Определение выходных параметров при защитной обработке изделий из древесины в упругомеханическом поле Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Определение выходных параметров при защитной обработке изделий из древесины в упругомеханическом поле

Новиков В.А.1

Петрозаводский государственный университет

В статье обосновывается целесообразность применения предлагаемого способа защитной обработки изделий из древесины. Предлагается математическая модель проникновения пропитывающей жидкости в обрабатываемую поверхность изделия. На основе теоретических и экспериментальных исследований делается вывод о факторах, наиболее влияющихх на глубину проникновения пропитывающей жидкости.

Ключевые слова: защитная обработка древесины, пропитка древесины, математическая модель процесса проникновения пропитывающей жидкости в упругомеханическом поле.

Обеспечение долговечности требуемого уровня заготовок и изделий из древесины на этапе их производства - одно из основных направлений повышения эффективности лесопромышленного комплекса. Увеличение сроков службы изделий из древесины, наряду с существующими способами, также может быть осуществлено при помощи пропитки поверхностного слоя изделий. Причем на практике в большинстве случаев достаточна пропитка только наиболее уязвимых в момент эксплуатации зон - местная пропитка. Существующие способы местной пропитки (капиллярный, диффузионный и др.) малопроизводительны и их применение не отвечает необходимым требованиям.

В связи с этим разработка более производительного и менее энергоёмкого способа местной пропитки с целью защитной обработки заготовок и изделий из древесины в условиях лесопромышленных предприятий представляется весьма актуальной.

С целью обеспечения более высокой производительности и эффективности при местной пропитке древесины, а также экономии пропиточной жидкости предлагается к использованию способ пропитки древесины в упругомеханическом поле (а.с. № 4629369161-15 от 28.07.89.) (рис. 1).

Рис.1. Схема пропитки при помощи упругого элемента.

1 - толкатель пресса; 2- пропитываемая деталь;

3- ванна с пропитывающей жидкостью; 4- упругий элемент; 5- тупиковые отверстия.

В основу способа положено перемещение пропиточной жидкости из гидроупругого элемента. Давление в нем создается посредством деформации упругого тела с тупиковыми отверстиями, заполненными пропитывающей жидкостью и имеющими выход в сторону обрабатываемой поверхности. При использовании в качестве упругою элемента эластомеров полиуретановой группы рабочее давление в тупиковых отверстиях может достигать 1000 Кн.

Реализация способа местной пропитки заготовок и изделий из древесины при помощи упругого элемента, на наш взгляд, наиболее эффективна в двух случаях. Во-первых, когда упругий элемент выполнен в форме пластины - прессовый вариант пропитки. В этом случае пропитка идет по всей контактирующей с поверхностью древесины площади; во-вторых, когда упругий элемент с системой тупиковых отверстий выполнен в виде покрытия на вальцах. Пропитка идет по фронту протягивания изделия через вальцы - фронтальный способ.

Остановимся на основных моментах вывода математической модели процесса пропитки древесины в упругомеханическом поле.

На рис.2 представлена схема пропитки единичного участка поверхности древесины в упругомеханическом поле.

С учетом известного положения о том, что интенсивность проникновения пропитывающей жидкости вдоль волокон намного выше, чем поперек волокон, от схемы пропитки (рис.2) перейдем к модели процесса пропитки в упругомеханическом поле ( рис.З).

1 Автор - преподаватель кафедры транспорта леса и геодезии.

© В.А.Новиков, 1996

Новиков В.А. “Определение выходных параметров при защитной обработке ...”

65

Рис.2. Схема пропитки в упругомеханическом поле.

1 - пропитываемый материал;

2 - пропитывающая жидкость; 3 - упругий элемент.

где

К-

Н-

коэффициент фильтрации; величина пьезометрического напора на границе контакта пропитывающей жидкости и поверхности древесины;

координата глубины проникновения пропитывающей жидкости.

Следует отметить, что при аналитическом описании процесса пропитки принимаем следующие предварительные условия:

• пропитывающая жидкость рассматривается как несжимаемая;

• математическая модель строится для условия, что в процессе пропитки не происходит деформации поверхностного слоя древесины;

• предполагается одномерная деформация упругого элемента.

Все предварительные условия для реального процесса пропитки в упругомеханическом поле корректны, поэтому запишем:

рд = еУ

ди-дх

(2)

где

Еу - модуль упругости эластомера. С учетом того, что:

и-ГО ,

(3)

Рис. 3. Модель процесса пропитки в упругомеханическом поле.

На рис.2 и рис.З: Рд - усилие, прикладываемое к упругому элементу; И - высота упругого элемента; Д Ь -величина деформации упругого элемента в результате внешнего давления; Иу - условная высота упругого элемента в двухслойной системе, принимаемой в модели процесса; х - условная величина слоя пропитывающей жидкости в двухслойной системе; п Ах -условная величина слоя пропитывающей жидкости, перетекшей в поверхностный слой изделия; А 6 -

глубина проникновения пропитывающей жидкости в древесину .

При аналитическом описании процесса проникновения пропитывающей жидкости подразумеваем следующие предварительные условия.

Упругий элемент с системой тупиковых отверстий, заполненных пропитывающей жидкостью, рассматривается как двухслойная система. Скорость движения пропитывающей жидкости в древесине подчиняется известному закону Дарси (I):

У = -К— . (О

5

где

р - плотность пропитывающей жидкости;

§ - ускорение силы тяжести.

Отметим, что:

дх = /‘у<п , (4)

где

I - время протекания процесса пропитки.

Очевидно, что:

где

В\у - коэффициент воздухоемкости древесины.

А также:

Ьу = И (1 - Су) , (6)

где

Пу - пористость упругого элемента, определяемая из соотношения:

С у = 4- ■ (7)

П

С учетом вышесказанного формулу (1) можно записать следующим образом:

К

Р ■ ё

(8)

А Ь - | V а і

и (г - о у )( {V (її - х „)

где

Хи - условная высота сплошного слоя предварительно пропитанной жидкости, которая определяется из условия:

Обозначив

О

К • Е у • В

И (1 - О у )

(9)

(Ю)

и введя в формулу (8) величину степени предварительной деформации упругого элемента (А), можно записать

сі г ° ((А + хо) + ь■1)

сі I

где

г=дх+х

о

(її)

(12)

При решении полученного дифференциального уравнения рассмотрены различные варианты протекания процесса пропитки, которые позволяют определить время пропитки:

процесс. Это: коэффициент проницаемости древесины, модуль упругости применяемого эластомера, коэффициент воздухоемкости древесины, количество и частота тупиковых отверстий в эластомере, величина деформации упругого элемента в процессе пропитки, время выдержки упругого элемента под нагрузкой.

Следует отметить, что при расчете параметров пропитки необходим индивидуальный подбор значений всех коэффициентов.

Полученная математическая модель позволяет рассчитывать параметры пропитки в зависимости от свойств упругого элемента, характера его деформации, характеристик состояния древесины и пропитывающей жидкости. Кроме того имеется возможность решать различного рода оптимизационные и вариационные задачи.

Используя математическую модель, необходимо учитывать, что:

• максимальная степень нагружения упругого элемента не должна превышать критических значений, при которых происходит разрушение либо упругого элемента, либо пропитываемой поверхности;

• при расчете количества жидкости, вошедшей в древесину за с тин цикл пропитки, ее объем не может быть больше, чем суммарный объем тупиковых отверстий;

• предварительно пропитанную жидкость (предыдущие циклы, другие виды пропитки ) в математической модели следует учитывать с помощью специального коэффициента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ох+х

г =

0

2Ь

и глубину пропитки:

^Ь + (А + Хр))

В\У

1+Л +

4Ь

О

(13)

Хр

Вш

(14)

Применение предлагаемого способа, имеющего более высокие показатели в защитной обработке поверхности заготовок и изделий из древесины по сравнению с традиционно применяемыми в промышленности, представляется целесообразным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Оснач Н А. Проницаемость и проводимость древесины. М., 1964. 128с.

2. Базаров С.М., Евдокимов Л.И., Новиков В.А. К вопросу пропитки древесины в упругомеханическом поле/ЛЛТА. Л., 1990. 13с.

Полученная математическая модель процесса пропитки была проверена на экспериментальной установке. Сравнение выходных параметров пропитки, полученных аналитическим путём и на реальной установке по пропитке древесины в упругомеханическом поле позволило говорить об адекватности математической модели реальному процессу.

При исследовании влияющих на процесс факторов был сделан вывод о наиболее влияющих из них на