Theoretical justification of the relationship between deep wood compaction and operating characteristics

Full Text

Проведенные исследования были направлены на систематизацию известных и получение новых экспериментальных данных по изменению физико-механических свойств уплотненной, в том числе и контурным способом, древесины, в частности, осины [1-13]. Задачи теоретического обоснования можно свести к определению оптимальных областей промышленного применения уплотненной древесины и ее перспектив, нахождению наивыгоднейших степеней уплотнения в зависимости от характера использования и анализа зависимости характеристик уплотненной древесины от плотности. Целью этих исследований было, во-первых, установление деформативных свойств древесины мягких лиственных пород, необходимых для разработки режимов уплотнения и определения их параметров, во-вторых, выяснение возможности полноценной замены ценных пород дерева и других дефицитных и дорогостоящих материалов уплотненной древесины, и, в-третьих, выявление закономерностей изменения физико-механических характеристик древесины при ее уплотнении с тем, чтобы получить возможность прогнозировать эти свойства [1; 2; 12; 13]. Методика статистического анализа базировалась на выявлении параметров функциональных взаимосвязей физико-механических характеристик уплотненной древесины от ее плотности и степени уплотнения. После установления формы зависимости и определения ее параметров по экспериментальным данным была найдена степень приближения последних к аппроксимирующим зависимостям [9; 13]. В качестве исходных приняты аппроксимирующие зависимости физико-механических характеристик от плотности. Вид этих зависимостей был установлен при систематизации большого объема известных экспериментальных данных [2; 9; 12; 13]. Определялись и анализировались параметры уравнений, аппроксимирующих физико-механические характеристики в функции от плотности. Кроме того, здесь же выявлялось взаимовлияние указанных величин. По аппроксимирующим зависимостям для физико-механических характеристик определялись законы изменения соответствующих удельных характеристик [12; 13]. При исследовании физико-механических свойств древесины наблюдается весьма существенный разброс результатов измерений. Это объясняется влиянием большого числа независимых друг от друга факторов. Данное обстоятельство в еще большей степени имеет место при испытаниях уплотненной древесины, так как ко всем ранее действующим факторам прибавляется наличие условий и режимов прессования. Поэтому для объективного суждения о закономерностях изменения физико-механических свойств уплотненной древесины необходим тщательный статистический анализ большого числа опытов. Ранее проведенными исследованиями [1-13] были установлены формы функциональных зависимостей для физико-механических характеристик уплотненной древесины от ее плотности [3-5; 9]. Эти зависимости для большинства прочностных и упругих характеристик близки к линейным, а для показателей износа и твердости иногда могут аппроксимироваться квадратичными или экспоненциальными функциями. После того, как вид аппроксимирующей функции известен, определение ее параметров по экспериментальным данным не представляет каких-либо принципиальных трудностей. Проанализированы параметры аппроксимирующих функций. Эти параметры определялись по методу наименьших квадратов. Выявление аппроксимирующих зависимостей для характеристик уплотненной древесины в явном виде преследовало ряд целей [2; 9]. Прежде всего, было необходимо выяснить, при каких эксплуатационных нагружениях или условиях работы уплотненная древесина даст наибольший эффект. Это позволяет в дальнейшем выделить оптимальные области ее использования [9; 12; 13]. Во-вторых, существует острая потребность выявить характер и интенсивность изменения различных физико-механических характеристик при уплотнении древесины. Это, с одной стороны, позволит выяснить рациональные степени уплотнения при различных видах нагружения. С другой стороны, экстраполяция полученных зависимостей может уточнить перспективы уплотненной древесины как нового конструкционного материала [6-8]. В-третьих, аналитическое выражение закономерностей изменения физико-механических характеристик уплотненной древесины в функции от ее плотности или объемной массы позволяет перейти к соответствующим закономерностям применения характеристик от степени уплотнения. Аналогично определяются аналитические зависимости для коэффициентов качества или удельных характеристик уплотненной древесины. Эти зависимости позволяют в самой общей форме исследовать и определять критерии экономической и технической целесообразности уплотненной древесины, которые, естественно, неразрывно связаны с физико-механическими характеристиками [7-13]. Таким образом, задачи статистического анализа можно свести к следующему: 1. Определение оптимальных областей промышленного применения уплотненной древесины и ее перспектив. 2. Определение наивыгоднейших степеней уплотнения в зависимости от характера использования. 3. Подготовка аналитических закономерностей для установления и анализа технического и экономического критериев рациональности уплотненной древесины [2-4; 9-13]. Проведем анализ зависимости характеристик уплотненной древесины от плотности. Рассмотрим зависимости характеристик прочности и жесткости. Физико-механические характеристики уплотненной древесины, выраженные коэффициентом k и определяющие ее прочность и жесткость, в подавляющем большинстве случаев могут быть представлены как линейные функции от удельного веса: , (1) где g - удельный вес; а и b - аппроксимирующие коэффициенты. Исходя из этой основной зависимости, можно получить зависимости характеристик от степени уплотнения. Если воспользоваться выражением степени уплотнения по начальным параметрам элемента [9; 12; 13] , то получим и, соответственно, , (2) где - начальное значение физико-механической характеристики натуральной древесины. При использовании степени уплотнения по конечным размерам имеем , и основная зависимость после подстановки принимает вид . (3) Учитывая, что bg0=K0 - a, зависимость (1.3) можно представить . (3а) Наконец, при использовании логарифмического показателя уплотнения , имеем . Зависимость физико-механических характеристик от логарифмического показателя уплотнения принимает вид , (4) где eл - логарифмический показатель уплотнения. Таким образом, все функциональные зависимости характеристики от степени уплотнения находятся через коэффициенты основной зависимости от объемного веса (1), через коэффициенты линейной аппроксимации а и b. Определение этих коэффициентов производилось по экспериментальным данным методом наименьших квадратов. Вычислялись теоретические значения физико-механических параметров по найденным уравнениям, а также отклонения теоретических значений от результатов эксперимента. Вычислены коэффициенты а и b, а также найдены с их помощью значения характеристик и (5) Под подразумевается плотность древесины при максимальном уплотнении =1,5 г/см3. Были подсчитаны абсолютные и относительные интервалы изменения физико-механических характеристик, т.е. величины и (6) Было выявлено, что прирост характеристик прочности при уплотнении увеличивается для пород с меньшей начальной плотностью. Это объясняется тем, что при малом начальном удельном весе диапазон уплотнения до максимальной степени при =1,54 г/см3, соответственно, возрастает. Таким образом, древесина с малой плотностью, и прежде всего осина, является более благоприятным сырьем для уплотнения с точки зрения результата. Кроме того, процесс уплотнения древесины с малой плотностью проще осуществим. Для оценки сопоставимого прироста абсолютных и относительных значений характеристик прочности и упругости может служить величина коэффициента регрессии «b» [9]. По данным значения коэффициентов регрессии для различных пород и различных видов деформирования можно сделать следующие выводы: 1. Наивысший рост прочности от уплотнения древесины имеет место при ее работе на статический изгиб. 2. Значительно возрастает прочность уплотненной древесины при сжатии ее вдоль волокон и поперек волокон в радиальном направлении. 3. Прочность уплотненной древесины при сжатии поперек волокон в тангентальном направлении растет значительно слабее (примерно в 2 раза), чем при сжатии вдоль волокон. 4. Лиственные породы обнаруживают значительно большие колебания прочности при уплотнении, чем хвойные породы. 5. Сравнительно медленнее при уплотнении возрастает прочность на скалывание и раскалывание. 6. Медленно возрастает при уплотнении сопротивляемость древесины ударному изгибу. Большой фактический экспериментальный материал, проанализированный в данной работе, позволяет сделать обоснованные выводы о технической целесообразности уплотнения древесины [2; 3; 5; 7]. В качестве критерия таковой целесообразности может служить изменение при уплотнении эксплуатационных характеристик древесины. Прирост коэффициентов эксплуатационных характеристик при уплотнении характеризует целесообразность этого процесса. Наоборот, уменьшение их величины определяет заведомую невыгодность уплотнения (для износа целесообразность уплотнения определяется обратным отмеченному изменению коэффициента качества) [4-6; 9; 13]. Рассматривались значения коэффициентов эксплуатационных характеристик (прочности, твердости и износа) и их применение при максимально возможном уплотнении. Проанализировав эти данные, можно сделать следующие выводы: 1. Эксплуатационные характеристики на сжатие вдоль волокон и изгиб для всех пород при уплотнении не обнаруживают какого-либо возрастания. Следовательно, применение уплотненной древесины для изгиба или сжатия вдоль волокон технически нецелесообразно. 2. Значительно возрастают при уплотнении эксплуатационные характеристики при сжатии поперек волокон (в тангентальном и радиальном направлениях). Возрастание доходит до 500-800%, причем на сжатие в радиальном направлении интенсивность возрастания коэффициента качества в два раза больше, чем при сжатии в тангентальном направлении. Таким образом, уплотненную древесину целесообразно применять в тех элементах, где она работает на сжатие поперек волокон. 3. Эксплуатационные характеристики на скалывание и раскалывание при уплотнении возрастают. Однако отмеченное явление наблюдалось только для березы. Для других пород экспериментальные исследования недостаточны и должны быть продолжены. Тем не менее, применение уплотненной древесины для работы на скалывание можно считать целесообразным. 4. Эксплуатационные характеристики на ударный изгиб существенно снижаются при уплотнении. Таким образом, при динамических нагружениях уплотненную древесину следует применять с осторожностью; тем более, что ударная твердость также обнаруживает падение. 5. Эксплуатационные характеристики по твердости и износу обнаруживают существенное возрастание. Причем сильнее всего растет твердость по радиальной поверхности. При определяющем влиянии износа от уплотненной древесины, в наибольшей степени осины, можно ожидать большего эффекта.

About the authors

A. S Krivonogova

Saint Petersburg State Forest Technical University

Email: krivonogova.aleksandra@lta-landscape.com
Assistant Professor at the Department of Descriptive Geometry and Graphics

N. A Belinogova

Saint Petersburg State Forest Technical University

Email: graphics.spbftu@gmail.com
Candidate of Technical Sciences, Head of the Department of Descriptive Geometry and Graphics

A. R Birman

Saint Petersburg State Forest Technical University

Email: birman1947@mail.ru
Candidate of Technical Sciences, Professor at the Department of Logging Technologies.

References

Supplementary files