Влияние покоробленности древесностружечных плит на их прочность при изгибе
Плотников С.М. (СибГТУ, г. Красноярск, РФ)
Influence a curvature of wood boards on their durability is considered at a static bend. The degree of reduction of durability is estimated vectorially on a degree of reduction of density of a board.
Одним из распространенных и трудно устранимых недостатков древесностружечных плит (ДСП) является покоробленность, которая может быть обусловлена как внешними, так и внутренними причинами. К внешним причинам относятся изменение влажности окружающей среды при эксплуатации ДСП, за счет чего происходит послойное разбухание или усыхание плиты, механические деформации плиты при ее эксплуатации или складировании на неровной поверхности.
К внутренним причинам относятся дефекты изготовления и обработки ДСП: асимметрия послойной плотности и влажности стружечных пакетов относительно центральной плоскости, неодинаковая сошлифовка наружных слоев плиты, асимметрия температур нагревательных плит пресса при прессовании и т.д. Так, в современных прессах за счет скапливания конденсата в трубопроводах пресса существует асимметрия температур верхней и нижней прессующих плит до 8оС [1]. Температурная асимметрия может быть вызвана также свободной конвекцией горячего воздуха при смыкании и размыкании пресса.
В производственных условиях всегда в большей или меньшей степени существует асимметрия профилей плотности и влажности по толщине стружечных пакетов, обусловленная несинхронной работой формирующих машин, колебаниями влажности и осмоленности слоев формируемого стружечного ковра, просеиванием мелких фракций стружки внутрь ковра, подсыханием верхних слоев ковра при его транспортировке до пресса и т.д. После загрузки стружечного пакета в пресс (до его смыкания) нижняя часть пакета нагревается раньше, чем верхняя, поэтому процесс прессования проходит в условиях послойной температурной асимметрии пакета, температура верхней прессующей плиты как бы «догоняет» температуру нижней.
Асимметрия нагревательных плит пресса и прессуемого материала вызывает неодинаковый перенос тепла и парогазового давления по толщине стружечного пакета, что, в свою очередь, ведет к неодновременному отверждению связующего в симметричных слоях пакета и к асимметрии остаточных механических напряжений в готовой плите. В результате этого плита релаксирует и коробится как в продольном, так и в поперечном направлении, причем середина плиты выгибается в сторону более холодной прессующей поверхности или в сторону менее влажного наружного слоя.
Измерения показали, что готовая покоробленная плита имеет форму, близкую к эллиптическому гиперболоиду, расстояние произвольной точки которого до плоскости плана определяется выражением:
,
где L, B – соответственно длина и ширина плиты;
f – стрела прогиба плиты.
Такая форма плиты в полной мере подходит под определение пологой оболочки, т.е. оболочки, у которой стрела подъема не превышает одной пятой наименьшего линейного размера плана.
В отличие от внешних причин, потеря формоустойчивости плиты из-за ее несимметричного строения или прессования происходит сразу после выгрузки плиты из пресса в течение нескольких минут до ее остывания и уравновешивания остаточных механических напряжений.
Покоробленность ДСП устраняют их выдержкой в штабеле или приложением обратной прогибу деформации в определенных влажностно-температурных условиях. При таких деформациях плиты происходят сдвиги и отрывы клеевых соединений, выдергивание древесных частиц из полимерной матрицы и их микроразрушения, что отрицательно влияет на прочность готовых плит.
Косвенно о потере прочности плиты вследствие коробления и последующего выпрямления можно судить по степени изменения ее плотности. Так как на единицу объема покоробленной и ровной плиты приходится одинаковое количество древесно-клеевой композиции, то следует ожидать, что при некотором увеличении длины плиты за счет коробления снижается ее плотность. Данное уменьшение плотности можно определить через длину дуги сечения покоробленной плиты:
,
где F(x) – функция, описывающая форму плиты после окончания коробления.
Для эллиптических поверхностей:
.
Здесь L1 , L2 – соответственно длина плиты до и после коробления.
После преобразований длину дуги можно определить из выражения:
.
Степень снижения плотности плиты можно характеризовать отношением L1/L2. Для расчета необходимо лишь измерение стрелы прогиба плиты (по ГОСТ 24053-80) и ее длины. Вместе с плотностью снижается также основной физико-механический показатель выпрямленной ДСП – ее прочность при статическом изгибе, которая в общем случае пропорциональна квадрату плотности плиты для обычных пределов последней.
Для подтверждения представленных теоретических положений были проведены экспериментальные исследования. На лабораторном электрообогреваемом прессе были изготовлены три серии плит (по 10 штук) из сосновой стружки плотностью 700 кг/м3, влажностью 8%, толщиной 16 мм, форматом 400∙400 мм2, стрелу прогиба у которых от 16 до 48 мм задавали при помощи определенной асимметрии температуры прессующих плит. Покоробленность плит устраняли выдержкой в штабеле, после чего плиты распиливали на образцы и измеряли их предел прочности на статический изгиб. Была изготовлена также серия контрольных непокоробленных плит, средний предел прочности которых составлял 18 МПа. Данные эксперимента представлены в таблице.
Таблица 1– Усредненные значения прочности при изгибе выпрямленной плиты в зависимости от относительного значения стрелы прогиба
|
Относительная стрела прогиба f / L1 |
Предел прочности при статическом изгибе, МПа |
|
|
Расчетные значения |
Экспериментальные значения |
|
|
0 |
18 |
18 |
|
0,04 |
16,4 |
16,6 |
|
0,08 |
14,7 |
14,8 |
|
0,12 |
11,7 |
11,4 |
Хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных подтверждает адекватность оценки потери прочности покоробленной плиты по геометрической оценке снижения ее плотности. Максимальное расчетное значение стрелы прогиба f/L1 = 0,12. При этом плита теряет до 28% прочности. С дальнейшим ростом температурной асимметрии при прессовании в готовой плите появляются неконтролируемые деформации.
Полученные результаты могут быть полезны при проектировании элементов из ДСП, а также при изготовлении древесных плит в форме пологих оболочек с использованием заданной асимметрии послойной влажности стружечного брикета или температуры прессующих плит.
Литература
1 Гулимов, В.Г., Оборудование для прессования древесноволокнистых плит [Текст] / В.Г. Гулимов. – М.: Лесн. пром-сть, 1983. - 56 с.