CC BY
50
Для экспериментального определения температуропроводности были выбраны фторопласт и сосна (вдоль волокон). Диаметр образцов - 10 мм, толщина толстостенных экранов - 10 мм, длина образцов и экранов -100 мм (для фторопласта) и 60 мм (для сосны), расстояние между экранами - 10 мм. Подготовленные к опыту образцы и толстостенные экраны с термопарами зажимали между двумя электрическими нагревателями и симметрично нагревали на воздухе от комнатной температуры до 100 °С. На рис. 2 приведены результаты экспериментального определения температур центра Тц и поверхности Тп на образцах из сосны (вдоль волокон) и фторопласта.
Используя опытные данные, находим угловые коэффициенты прямой линии Ф из закономерности упорядоченного теплового режима:
Ф = 1п(Т/7-Ту)-1,23{-^- =
п ц
= -2,47 ——г + const.
R
Температуропроводность, вычисленная по формуле
R2 А Ф
а =---------
2,47 Дг
имела следующие значения:
для сосны (вдоль волокон) а = 0,65-10 6 м2/с;
для фторопласта а = 0,13-10'6 м2/с.
Полученные значения температуропроводности сосны (вдоль волокон) и фторопласта согласуются с литературными данными.
Литература
Бойков Г.П., Видин Ю.В. и другие. Определение теплофизических свойств строительных материалов. - Красноярск: Ф. М. Науки, 1992.
ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЦЕССУ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПЛИТ И СООТВЕТСТВИЕ ЭТИМ ТРЕБОВАНИЯМ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
Б.В. ПУЧКОВ, член-корр. РАЕН, д.т.н., зам. генерального директора ЗАО «ВНИИДРЕВ» по научной работе
При организации процесса измельчения древесного сырья четко просматриваются два аспекта: технологический - получение частиц, обеспечивающих производство плит требуемого качества, и экономический - минимальные затраты и, прежде всего, энергетические.
Для обеспечения высокой прочности плит необходимо, чтобы частицы были прочные и имели достаточно большое отношение длины к толщине. Для обеспечения высокой прочности и анизометричности древесных частиц необходимо, чтобы разрушение древесины проходило преимущественно вдоль волокон. Тонкие и длинные частицы с ориентацией волокон вдоль их длины
сочетают высокую прочность и способность испытывать деформации без разрушения.
Для обеспечения минимальных энергетических затрат необходимо, чтобы разрушение проходило избирательно по наиболее слабым структурным элементам древесины.
На характер разрушения древесины оказывают влияние способ и режимы измельчения, ее структура и физико-механические свойства, вид сырья и другие факторы.
При крупном измельчении на характер разрушения древесины в основном оказывают влияние годичные слои, сердцевинные лучи, сосуды и другие элементы ее макроструктуры. При тонком измельчении часть структурных неоднородностей макроскопического уровня ликвидируется и обра-
зование поверхности в большей мере происходит по структурным элементам микроскопического уровня.
Влажность древесины оказывает большое влияние на характер разрушения древесины. Сухим механическим измельчением невозможно разрушить древесину по межволоконным связям, при этом образуется много пыли. Связанная вода пластифицирует древесные волокна, ослабляет межво-локонные связи и способствует образованию анизометричных частиц. С повышением температуры также ослабляются межволо-конные связи, повышается пластичность древесины, что способствует целостности волокон при разрушении.
Эффективность разрушения древесины будет зависеть не только от ее структуры и свойств, но и от характера приложенной нагрузки.
Прежде всего разрушающая нагрузка должна обеспечивать селективное измельчение древесины вдоль волокон по наиболее ослабленным сечениям. Повышение скорости приложения нагрузки способствует хрупкому разрушению древесины, что объясняется релаксационными явлениями.
Измельчение - энергоемкий процесс, поэтому всегда надо руководствоваться принципом не переизмельчать материал. Так, если в качестве сырья для производства ДСП используются станочная структура, опилки, отсев щепы, дробленка и другие сыпучие отходы, то необходимо отсортировать и доизмельчать некондиционные крупные включения, а остальные частицы использовать без дополнительного измельчения.
При безножевых способах измельчения зачастую материал подвергается многократному воздействию нагрузки. Причем этому воздействию подвергается не одна частица, а одновременно несколько. В общей массе частиц, образующихся при каждом приеме разрушения, всегда имеются частицы, которые достигли требуемой крупности и более мелкие. Такие частицы необходимо удалять из процесса, так как при следующих приемах разрушения они будут
переизмельчаться и тормозить процесс измельчения крупных частиц.
Экспериментальные исследования показали, что однородность частиц по размерам наибольшая при их отсеве после каждого приема разрушения.
Измельчить древесное сырье можно резанием, размолом, прокатном, ударом, расщеплением и другими способами, а также их комбинациями.
Резание - процесс разрушения древесины по заданной поверхности, определяемой траекторией движения резца клиновидной формы. Резание позволяет получать частицы заданных размеров и вовремя удалять их из процесса.
Недостатком резания является его неизбирательность. Теоретически, рассматривая взаимодействие древесной заготовки с ножами дискового стружечного станка и станка с ножевым валом (рисунок), получены следующие выражения для углов перерезания волокон (уэ, ун в): уд = агсзт^тфзтасозР + созаБтр);
Ун. в.
агсэт
^1 - ^рсоэф'^т ф вт а
+
+ сое а вт
р)-£-г
соэ фвта
где а - угол сбега, равный агс1£
I
(К
и /?в — радиусы окружностей верхнего и нижнего торцов заготовки, а / - ее длина); ф - угол между осью X и линией ОхМх \г - радиус вращения кромки ножей ножевого вала; р - расстояние от точки Ох до точки М,; р - угол перекоса заготовки в питателе станка.
Анализ полученных зависимостей показал, что угол перерезания волокон будет равен нулю только в том случае, если волокна параллельны поверхности резания и отсутствует перекос заготовок в питающем патроне. При этом аир должны быть равны 0. Так как на практике такие условия не выполнимы, то разделять резанием древесину
вдоль волокон на отдельные частицы практически не представляется возможным. Это подтверждено экспериментальными исследованиями. В основном поверхность древесной стружки представляет торцы перерезанных под различными углами волокон.
В дисковых стружечных станках и станках с ножевым валом при правильной ориентации заготовок угол перерезания волокон не значителен, поэтому в этих станках удается получать высококачественную стружку для производства прочных плит.
При измельчении щепы в центробежных стружечных станках перерезание волокон происходит в пределах от 0 до 90°. Это связано с хаотичным расположением щепы к ножам в процессе резания. По этой причине в некоторых моделях центробежных стружечных станков, предусмотрены устройства для ориентации щепы к режущим ножам. Фирма «Раума-репола» (Финляндия) разработала центробежный стружечный станок «Верти-Флакер», в котором предусмотрена
как ориентация щепы, так и ее равномерное распределение по длине ножей. Это позволяет улучшить качество стружки и повысить производительность станка.
Германская фирма «Бецнер» запатентовала схему и выпустила дисковый стружечный станок для получения стружки из щепы. Стабилизация положения щепы в процессе резания обеспечивается гидравлическими устройствами, которые прижимают щепу к диску и тем ориентируют ее относительно поверхности диска. Имеются также технические решения [1] по ориентации щепы за счет формы бил крыльчатки. В основном стружка, получаемая на центробежных станках, всегда хуже, чем стружка, полученная на станках других типов. При получении щепы в рубительных машинах ее торцовая поверхность образуется за счет перерезания волокон по траектории движения резца и составляет не более 0,2 созданной поверхности.
Рис. Модели резания древесной заготовки в стружечных станках: а - дисковом; б- с ьожевым валом
Остальная поверхность, т.е. поверхность пластей и боковых кромок, образуется путем скалывания древесины вдоль волокон и излома. Толщина щепы, а, следовательно, и величина ее удельной боковой поверхности, в значительной мере зависят от показателей прочности древесины на скалывание и смятие вдоль волокон. Следует отметить, что скалывание и излом в основном являются избирательными процессами, так как разрушение древесины проходит как по межво-локонным связям, так и по стенкам клеток. При этом на микрофотографии просматриваются пучки фибрилл, разорванные стенки клеток, лестничная перфорация, поры и другие элементы структуры. Учитывая характер разрушения древесины в рубительной машине, проведены эксперименты по одностадийному получению древесных частиц для производства плит.
Плиты с внутренним слоем из щепы, толщиной 1,5- 2 мм при равных условиях изготовления превосходят по физикомеханическим и экономическим показателям плиты из обычной стружки. Это обусловлено малыми затратами энергии на получение частиц внутреннего слоя, их малой удельной поверхностью по сравнению с обычной стружкой, расположением волокон вдоль пластей. Жесткость внутреннего слоя определяет упрессовку наружных слоев и повышение прочности плит при изгибе.
При измельчении древесины безно-жевыми способами разрушение преимущественно происходит вдоль волокон. В зубчатой мельнице периодического действия отсутствует отбор древесных частиц в процессе измельчения, поэтому материал при длительном размоле переизмельчается. При этом зачастую разрушаются стенки клеток, что не рационально как с энергетической, гак и технологической стороны.
В ситовых и зубчато-ситовых мельницах частицы, достигшие требуемых размеров, удаляются из процесса и поэтому меньше переизмельчаются. Частицы состоят в основном из групп древесных волокон. Зачастую в мелкой фракции под микроскопом
можно наблюдать отдельные волокна. При этом наблюдается разрушенное межклеточное вещество и пучки фибрилл. При размоле влажного древесного сырья в зубчатоситовых мельницах всегда образуются волокнистые частицы. Благодаря расположению волокон вдоль длины и анизометричной форме применение таких частиц в наружных слоях ДСтП всегда приводит к повышению прочности плит при статическом изгибе по сравнению с использованием обычной мелкой стружки.
Использование мелкой фракции в наружных слоях, а крупной во внутреннем слое, позволяет получать плиты ПВЧ, целиком изготовленные из волокнистых частиц. Такие плиты превосходят по своим физикомеханическим показателям плиты из обычной стружки.
При прокатке длинномерного древесного сырья в валках или при ударном сжатии и дальнейшем расщеплении образуются крупноволокнистые частицы. Такие частицы могут иметь максимальную длину, равную длине заготовки (1 м и более) и большое отношение длины к толщине (100- 200). Разрушение проходит вдоль волокон как по межволоконным связям, так и по стенкам клеток.
Проведены исследования свойств древесных плит из крупноразмерных волокнистых частиц (КВЧ). Плиты из частиц, длиной 100 - 260 мм и толщиной 1 - 6 мм имели предел прочности при статическом изгибе 30-40 МПа, а предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти 0,6 -
0,7 МПа. При этом в качестве сырья использовались неокоренные сучья осины с содержанием коры около 30 %, плотность плит
л
составляла 620 - 650 кг/м , а расход связующего 10- 14%. Высокие прочностные показатели плит объясняются высокой прочностью частиц, их анизометричностью и разрыхленностью структуры, что приводит к их расплющиванию при прессовании и увеличению площади контакта при склеивании. Энергетические затраты при получении
частиц меньше, чем при получении стружки на стружечных станках.
Заключение
1. Процесс измельчения древесины в производстве плит должен удовлетворять требованиям получения прочных анизомет-ричных частиц, своевременного удаления кондиционных частиц, избирательного разрушения вдоль волокон по наиболее слабым сечениям и возможно меньших затрат.
2. Наиболее часто используемый при получении стружки в производстве ДСтП способ резания позволяет при условии хорошей ориентации сырья волокнами к режущим ножам получать частицы необходимых размеров и прочности. Однако, такой способ не избирательный. Кроме того, он требует больших затрат на приобретение, заточку, замену, настройку режущих ножей, определяет повышенную опасность попадания в рабочую зоны минеральных и металлических включений. Получение волокна в производстве ДВП требует больших затрат на пропарку и размол щепы, не позволяет вовремя удалять из процесса кондиционные частицы, требует применения сложной дорогостоящей размольной гарнитуры.
3. Указанные недостатки определили поиск более эффективных по сравнению с
существующими способами измельчения древесного сырья. К таким способам можно отнести размол без пропарки щепы в зубчато-ситовых мельницах, удар, прокатку, расщепление и их комбинации.
4. Применение безножевых способов позволяет разрушить древесину вдоль волокон, получать волокнистые частицы с расположением волокон вдоль их длины и максимально использовать прочностные свойства древесины в конструкции плиты. При этом сокращаются не только энергетические затраты на измельчение, но и затраты на обслуживание измельчающего оборудования (заточка, замена, настройка рабочих органов).
5. Поиск новых способов измельчения древесного сырья в производстве плит позволил создать новые плитные материалы, например, плиты из волокнистых частиц, плиты из крупноразмерных волокнистых частиц и другие, превосходящие по своим свойствам и экономике производства традиционные плитные материалы.
Литература
Пучков Б.В., Васильев Б.В. А. с. 1205430 МКИ В 27 11/04. Центробежный стружечный станок № 3651713/29-15.
ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ КРОНЫ ДЕРЕВА С ПЕРЕМЕННОЙ ПО ЕЕ ДЛИНЕ ПЛОТНОСТЬЮ
Г.А. ИВАНОВ, доцент каф. теории конструирования машин МГУЛа
При рассмотрении центра тяжести кроны дерева с переменной по ее длине плотностью возникает ряд вопросов. Среди них, в частности, такой: какой подход должен использоваться при аппроксимации как формы, так и плотности кроны, чтобы получить близкую к реальной величину центра тяжести. Это связано с тем, что эта величина теперь будет зависеть не только от элементарного объема поперечного сечения кроны,
но и от относительной плотности каждого поперечного сечения на всем ее протяжении. Решение можно осуществить тремя способами.
Профиль дерева с резким переходом ствола в крону [2]. Рассмотрим вначале подход, в котором за основу принята аппроксимация относительной плотности кроны дерева. Такой подход представляется в большинстве случаев наиболее разумным. Ап-
