На правах рукописи

Данков Александр Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГНУТЬЯ МАССИВНОЙ ДРЕВЕСИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЧ-НАГРЕВА

05.21.05 - Древесиноведение, технология и

оборудование деревопереработки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж Ц 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Воронежская государственная лесотехническая академия" (ВГЛТА)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Филонов Александр Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Памфилов Евгений Анатольевич

доктор технических наук

Платонов Алексей Дмитриевич

Ведущая организация: Московский государственный университет леса (141001, г. Мытищи, Московская обл. ул. Первая институтская, 1)

Защита состоится 27 ноября 2009 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, зал заседаний - ауд. 240)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан 26 октября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Скрыпников А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Древесина является уникальным природным армированным материалом, важными особенностями которого являются его возобновляемость и экологическая чистота. Кроме того, древесина обладает целым рядом ценных физико-механических и эстетических свойств, которые позволяют широко использовать ее в промышленном производстве самой разнообразной продукции, строительстве и быту. Однако, несмотря на способность к возобновляемости запасы древесины повсеместно сокращаются, что ставит во главу угла одну из важнейших проблем современного общества - повышение эффективности ее использования за счет рационального раскроя, утилизации отходов, применения конструкций изделий с малой материалоемкостью, разработки новых ресурсосберегающих технологий. Особую остроту эта проблема приобретает при изготовлении криволинейных деталей мебели и арочных конструкций столярно-строительных изделий.

С целью сокращения расхода древесины при изготовлении таких деталей их зачастую делают составными из коротких прямолинейных заготовок или склеивают из шпона в специальных пресс-формах. Однако изготовленные таким способом детали помимо высокой трудо- и энергоемкости ограничивают возможности дизайна при создании высокохудожественных изделий.

Изготовление криволинейных деталей способом гнутья заготовок из массивной древесины позволяет эффективно использовать ценную древесину и расширить возможности дизайна при конструировании изделий. Однако традиционный способ гнутья отличается чрезвычайно высокими трудо- и энергозатратами, что в конечном счете привело практически к полному закрытию производств по изготовлению гнутой мебели из массивной древесины. Между тем, за рубежом исследования по совершенствованию технологии гнутья не прекращаются и по сей день, и на международных выставках мебели демонстрируются высокохудожественные изделия из гнутых элементов.

На основании изложенного можно сделать вывод, что разработка новой ресурсо- и энергосберегающей технологии гнутья массивной древесины представляет весьма актуальную задачу.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является разработка технологии гнутья заготовок из массивной древесины с низкой влажностью с использованием СВЧ-нагрева.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать режимы нагрева заготовок разной влажности до заданных температурно-влажностных состояний в поле СВЧ;
• исследовать способность древесины стабилизировать приданную форму в зависимости от различных температурно-влажностных условий при гнутье;
• получить уравнения регрессии, характеризующие зависимость напряжений, возникающих в древесине, от вдавливания прессующего ролика при различных температурно-влажностных условиях;
• получить математические модели, адекватно отражающие процесс гнутья древесины, а также разработать оптимальные технологические режимы гнутья;
• разработать технологию гнутья массивной древесины с низкой влажностью;
• разработать модель промышленной линии для гнутья массивной древесины и произвести расчет ее основных показателей.

Объектом исследования является процесс СВЧ-нагрева и гнутья массивной древесины.

Методы исследования. Поставленные задачи решались посредством теоретических и экспериментальных исследований. Методика исследований соответствовала общепринятой в деревообработке и проводилась в соответствии с действующими ГОСТами. Полученные данные обрабатывались методами математической статистики с использованием стандартных пакетов прикладных программ для персонального компьютера.

Научная новизна результатов:

1. Установлена закономерность распределения температурного поля в древесном образце при СВЧ-нагреве в объемном резонаторе, отличающаяся тем, что во избежание возникновения стоячих волн нагрев производится в присутствии дополнительного источника диэлектрических потерь.

2. Определена зависимость стабильности формы гнутых деталей от различных температурно-влажностных условий при гнутье.

3. Установлена зависимость напряжений, возникающих в древесине дуба от вдавливания прессующего ролика, отличающаяся учетом температурно-влажностного состояния древесины.

4. Получены математические модели процесса гнутья, отличающиеся учетом технологических режимных параметров при гнутье.

5. Разработана технология гнутья массивной древесины, отличающаяся использованием заготовок с низкой влажностью.

6. Модель поточной линии для гнутья массивной древесины, отличающаяся тем, что линия снабжена накопительным устройством с обогревом, расположенным после СВЧ-установки проходного типа с питателем, и конвейером возврата оснастки к гнутарному станку, причем для стабилизации формы использована камера кондиционирования проходного типа путем охлаждения или подсушивания и охлаждения изогнутых заготовок.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели, определяющие процесс нагрева древесных заготовок в объемном резонаторе;

2. Математическая модель, характеризующая стабильность формы гнутых деталей в зависимости от различных температурно-влажностных условий при гнутье;

3. Зависимость, характеризующая напряжения, возникающие в древесине дуба от вдавливания прессующего ролика, при различных температурно-влажностных условиях;

4. Математические модели процесса гнутья, учитывающие режимные параметры процесса.

5. Технология гнутья заготовок с низкой влажностью.

6. Модель поточной линии для гнутья массивной древесины.

Практическая значимость и реализация результатов работы связана с использованием основных ее положений:

- математические модели, определяющие процесс нагрева древесных заготовок в объемном резонаторе;

- зависимость стабильности формы гнутых деталей от различных температурно-влажностных условий при гнутье, позволяющая разрабатывать режимные параметры гнутья древесины с низкой влажностью;

- зависимость напряжений, возникающих в древесине дуба от вдавливания прессующего ролика при ее различных температурно-влажностных состояниях, позволяющая вычислять прессующую силу для расчета потребного момента сил при сложном гнутье;

- математические модели процесса гнутья, позволяющие разрабатывать рациональные режимы гнутья массивной древесины дуба и гибрида тополь белыйосина;

- технология гнутья массивной древесины, позволяющая гнуть заготовки с низкой влажностью;

- модель поточной линии для гнутья массивной древесины позволит сократить продолжительность всего технологического процесса, расход электроэнергии, а также количество оснастки, задействованной при гнутье.

Разработанная технология гнутья массивной древесины с низкой влажностью с использованием СВЧ-нагрева используется в учебном процессе ГОУ ВПО Воронежская государственная лесотехническая академия при подготовке инженеров по специальности Технология деревообработки.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались автором на ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО Воронежская государственная лесотехническая академия (2006, 2007, 2008 гг.).

ичное участие автора в получении результатов. Работа выполнена по программе ГОУ ВПО Воронежская государственная лесотехническая академия на 2006-2010 гг. (№ гос. Регистрации 01.2.00609238). Личное участие автора заключается в определении цели и задач исследования, в выполнении научных исследований и анализе их результатов, разработке технологии гнутья массивной древесины с использованием СВЧ-нагрева.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано
8 печатных работ, в том числе две в издании, рекомендованном ВАК, получено свидетельство РФ на полезную модель (Поточная линия для гнутья массивной древесины: патент на полезную модель 84292 РФ, МПК8 B 27 H 1/00).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 153 страницах печатного текста, в 40 таблицах и 42 рисунках. Список использованных источников включает 147 наименований, в том числе 56 на иностранных языках. Приложение включает акты и другие материалы по теме диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В виде краткой аннотации изложено содержание диссертационной работы, показана актуальность и научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость и результаты внедрения, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрено состояние проблемы повышения эффективности использования древесных и энергетических ресурсов при производстве криволинейных деталей, исследовано состояния вопроса по гнутью древесины и древесных материалов, способам пластификации и стабилизации древесины, сформулированы задачи исследования.

Значительный вклад в изучение проблемы повышения эффективности использования древесных и энергетических ресурсов при производстве криволинейных деталей методом гнутья внесли Белянкин, И.И. Леонтьев, П.Н. Хухрянский, Л.А. Манкевич, М. Маkinaga, M. Norimoto и др. Вопрос пластификации и стабилизации древесины изучали А.А. Берлин, П.П. Эриньш, Г.В. Берзиньш, Роценс, А. В. Апостол, К.П. Швалбе, В.А. Шамаев и др.

Проведенный анализ литературных источников показывает, что криволинейные детали находят широкое применение в производстве изделий из древесины. При этом наиболее перспективным способом получения криволинейных деталей является гнутье заготовок из массивной древесины. Однако существующая технология гнутья не отвечает современному уровню производства, что обусловлено пропариванием и последующей длительной стабилизационной сушкой заготовок в шаблонах. Кроме того, традиционные способы пластификации и стабилизации формы отличаются либо высокими производственными затратами, либо не отвечают экологическим требованиям. Между тем, эластичность древесины может быть повышена за счет термообработки без увеличения влажности, что создает предпосылки для гнутья заготовок в высушенном состоянии. Вместе с тем, технологический цикл гнутья может быть сокращен за счет нагрева заготовок в печах СВЧ.

В соответствии с этим были сформулированы основные направления исследований, продиктованные необходимостью разработать новую технологию гнутья массивной древесины с использованием СВЧ-нагрева, отвечающую современному уровню развития производства.

Во втором разделе рассматриваются теоретические предпосылки к исследуемому вопросу.

Отмечается, что важное значение при гнутье массивной древесины имеет образование замороженных деформаций.

Для технологического процесса гнутья представляет интерес процесс деформирования древесины, включающий последовательное или одновременное снижение влажности и температуры в нагруженном состоянии. В этом случае комплексная замороженная деформация включает в себя влагозамороженные и термозамороженные деформации древесины. Доля каждой из этих деформаций в комплексной деформации зависит от диапазонов изменения температуры и влажности, а также от последовательности их воздействия.

Предложенная Б.Н. Уголевым модель гигро(термо)-механических деформаций позволяет описать деформационные превращения в древесине при изменении нагрузки, температуры и влажности, однако может быть использована при напряжениях, не превышающих предела упругости древесины, что делает невозможным ее применение для многих технологических процессов. Так, при гнутье массивной древесины с целью получения значительных по величине деформаций нагружение производится за пределом пропорциональности. Поэтому для разработки технологии гнутья при пониженной влажности древесины необходимо получить экспериментальные данные о комплексной гигро(термо)-механической деформации, возникающей от нагружения за пределом пропорциональности при различных температурно-влажностных условиях.

При проектировании оборудования и технологической оснастки необходимо иметь представление о моментах сил, возникающих при гнутье массивной древесины. Так, при сложном поперечном гнутье с одновременным прессованием потребный изгибающий момент определяется по формуле:

М=Мп+Ми, (2.1)

где Мп - момент сил для протягивания, Нм;

Ми - момент сил для изгиба, Нм.

Момент сил для изгиба в этом случае можно определить по формуле:

, (2.2)

где - напряжение при растяжении шины, МПа;

s - толщина шины, м;

d - ширина бруска, м;

- предел прочности при сжатии вдоль волокон прессованной древесины в заданном температурно-влажностном состоянии, МПа;

h - толщина подпрессованного бруска, м.

Формула (2.1) предполагает вычисление изгибающего момента путем суммирования момента сил, затрачиваемого на прессование, и на гнутье уже спрессованной древесины. Между тем, суть сложного поперечного гнутья состоит в одновременном гнутье с прессованием. Поэтому есть основания предполагать, что правильнее будет не суммировать указанные моменты, а принимать в качестве потребного крутящего момента значение большего из них.

С целью проверки наших предположений были вычислены потребные моменты сил для гнутья и прессования и произведено их сравнение с изгибающим моментом, полученным экспериментальным путем.