ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПО СЕЧЕНИЮ ЛИСТВЕННИЧНЫХ БРУСЬЕВ

 

Комиссаров А.П. (УрГСХА, г.Екатеринбург, РФ)

 

Результаты  исследования  процесса   нагрева (в пропарочной  камере) и охлаждения (в цеховых  условиях) брусьев с выявлением  температурного поля, приведены  на графике (рис.1).Исследуемые брусья имели размеры 200х300 мм и  начальную  температуру t = -5 ±2 ^оС. Они  нагревались  в  насыщенном паре при t =100 ^оС до температуры на оси t =45 ^оС.                        

В процессе  опытов  выявлялась  скорость  изменения  температуры и период выравнивания её  по  сечению брусьев, предназначенных  для производства  строганого  шпона. На  основе  экспериментальных данных были  рассчитаны  кривые  температурного  поля  по  сечению  лиственничных  брусьев. Большинство  реальных  переходных  тепловых  процессов описываются  типовыми  дифференциальными  уравнениями, поэтому  обработка  экспериментальных  данных  производилась  по  уравнению, подобранному  по  методике  Мининой О.М.[1].

                                                                                                                                    

B² +2В  +k = M  [   ]                    (1)

где:   К  -  безразмерная  температура, которая  определяется из выражения:           К =                                                                  (2)

где   t- искомая температура; t_о – начальная температура; t_с- температура среды; M [] закономерность изменения температуры окружающей среды; - время запаздывания реакции прогреваемого бруса на внешнее температурное воздействие; В  -  постоянная  времени.

Решение уравнения (1) близко к частному решению уравнения теплопроводности при фиксированных значениях координат на оси Х, У.

На рис.1 приведены экспериментальные и расчетные кривые нагрева и  охлаждения брусьев (на глубине 30 и 100 мм).

Из графика видно, что экспериментальные и расчетные кривые имеют близкие значения. Средние квадратичные отклонения температуры вдоль кривых составляют: для кривых 2,3  = 3,96 ^оС;

                             для  кривых  4,5  = 2,35 ^оС

Из рис.1 видно, что температура бруса (кривая 2) на глубине 30 мм при  охлаждении падает с 70 до 40 ^оС в течение 4,5 часов, скорость падения температуры  составляет 6,70 град/час.

Температура на глубине 100 мм (на оси, кривая 4) при охлаждении продолжает возрастать  с 33 до 47 ^оС  в течение 2,5 часов, а затем начинает медленно падать с 47 до 45^оС.  Скорость падения температуры (на участке  =10  и     =12  часов) составляет всего 1 град./час. После этого скорость падения на оси бруса возрастает до 4 град./час. Нагревание бруса на оси (при охлаждении) в течение 2,5 часов объясняется перераспределением температур по его сечению.

Быстрое падение температуры на поверхности бруса объясняется  интенсивным испарением воды с поверхности влажного материала в холодный воздух, т.е. при этом имеет место граничные условия теплообмена третьего рода.  В данном случае теплообмен усложнен интенсивным массообменом. Анализ аналогичных пространственно временных характеристик кинетики температурных полей по другим породам  древесины позволил составить время выдержки и по значениям эластичности определить оптимальную температуру на оси и периферии сортиментов. Под оптимальной температурой понимается температура нагрева сортиментов, обеспечивающая необходимую эластичность древесины при строгании шпона. Для обоснования оптимальной температуры нагрева воспользуемся гистерезисом модуля упругости при изгибе, характеризующего величину эластичности, значения которого изменяются под действием теплового поля.

Время выдержки, необходимое для достижения одинаковой прочности древесины в различных направлениях, обеспечивающее качественное строгание, очевидно,  определиться  из времени достижения одинаковой эластичности  при нагревании центральной части сортиментов и охлаждении периферийных слоёв. В ГОСТ 2977-82 ”Шпон строганный“ качество шпона оценивается по шероховатости поверхности:

а)  для дуба, ясеня, ильма, лиственницы- не более 200 мкм.;

б)  для  древесины  остальных  пород не более 100 мкм.

Класс шероховатости шпона зависит от следующих факторов:

а) от  плотности, твердости, жесткости  древесины;

б) от  температуры  нагрева  древесины  при строгании;

в) от режимов строгания на фанерострогальном станке.

Влияние на шероховатость поверхности плотности и твердости можно выразить через жесткость. Жесткость-это обратная величина эластичности. Пользуясь этой зависимостью можно решить задачу определения оптимальной температуры нагрева древесины при строгании шпона. Чем жестче древесина, тем до более высокой температуры ее необходимо нагреть, затратив при этом определенное количество энергии на ее размягчение. Поэтому введение понятия объемной твердости позволяет выразить жесткость как безразмерную величину. Определение коэффициента равного-9,3, выражающего затраты энергии в кН/см² на каждую единицу жёсткости при нагревании древесины, позволяет рассчитать оптимальную температуру на оси сортиментов. 

Для определения оптимальной температуры на периферии сортиментов  воспользуемся выше приведенными результатами  исследований по расчёту  скорости изменения температурного  поля  по  сечению лиственничных  брусьев.  В таблице 1. дано  время  выдержки, после прогрева древесины в пропарочной камере, для получения одинаковых значений коэффициентов жесткости на оси и периферии сортиментов и достижения оптимальной температуры при  строгании  шпона.                                                                                                         

                                                                                               

Таблица 1 - Время  выдержек  и оптимальной температуры нагрева  сортиментов   

Наименование пород древесины	Температура на оси сортиментов, 0С	Коэффициент жесткости приW=30%     и   Т=200С	Коэф. эластичности При W=60% и Т = опт.	Температура периферийных слоев,0С	Время выдержки, ч.
1.Ель, кедр	35-40	3,80	2,90	25-30	1,0
2.Липа	35-40	4,01	2,90	25-30	1,0-1,5
3.Сосна, осина	35-40	4,38	2,91	25-30	1,0-1,5
4.Лиственница	40-45	4,66	2,90	30-35	1,5-2,0
5.Ольха	45-50	5,57	2,89	30-35	1,5-2,0
6.Береза	50-55	6,20	2,84	35-40	1,5-2,0
7.Вяз, бук	65-70	7,40	2,65	45-50	1,5-2,0
8.Дуб, ясень	70-75	7,95	2,55	50-55	2,0-3,0

 

При прогреве древесины различных пород, как известно из практики, необходимо добиваться размягчения древесины до состояния, при котором сопротивление резанию будет минимальным обусловленном качеством получаемого шпона. Расчеты коэффициентов жесткости позволили также определить степень эластичности каждой породы древесины при ее оптимальной температуре прогрева. Выше приведенные значения коэффициентов жесткости при W=30% и эластичности при W =60%, получены благодаря обобщению собственных, а также исследований российских и зарубежных ученых. Так по данным С.А.Воскресенского и П. Коха[2] касательная сила резанья, действующая в направлении, параллельном движению резца является силой деформации стружки, т.е. силой работающей на изгиб, аналогичной по воздействию силе, прилагаемой при определении модуля упругости древесины при изгибе. Касательная сила при продольно поперечном строгании древесины сосны с W =80%  и изменении температуры нагрева от 0 до 80⁰С изменяется незначительно от 2 до 1,8 кг/см, т.е. на 10%. 

Из таблицы 1 видно, что коэффициенты эластичности с увеличением коэффициента жесткости и температуры также изменяются не более 12%. При этом, как и предполагалось ранее, безразмерная величина эластичности имеет близкие значения по величине для всех пород древесины, при которых  происходит строгание шпона на фанерострогальных станках. Коэффициент эластичности определялся по формуле: (гиперболическая функция)

                                        Кэл. = Кж.·1/chx

где  Кж – коэффициент жесткости при W=30%; Х - коэффициент пропорциональности по породам древесины.

        Проведенные исследования позволили с помощью безразмерной величины жесткости вскрыть некоторые закономерности, раскрывающие сущность тепловой обработки  древесины.  Расчет скорости изменения температурного поля в древесине дает наглядную (графическую) пространственно-временную характеристику в каждом слое сортимента, это позволяет получить реальное представление о процессе нагревания сортиментов с целью практического использования его в технологии при производстве строганого шпона.                                                

                                       

Литература

1.Минина О.В. Определение динамических характеристик и параметров типовых регулируемых объектов.  М.:Академия наук СССР, 1963.-96с.

2.Кох П.Процессы  механической обработки древесины//Лесн.пром., 1969. -328с.

Рис.1.

                                                                                                                        

Рисунок 1- Кинетика температурного поля по сечению лиственничных брусьев в точках на глубине 30 и 100 мм:

а) I - прогрев бруса в течение 7,5 часов; 2- кривая изменения температуры в брусе на глубине 30 мм (экспериментальная);   3- то же (расчетная); 4 - кривая изменения температуры в брусе на глубине  100 мм (экспериментальная); 5 - то же (расчетная), б)  тоже  для древесины ясеня.