Разработка технологии повышения формоустойчивости шпал из прессованной древесины
На правах рукописи
Медведев Илья Николаевич
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ФОРМОУСТОЙЧИВОСТИ ШПАЛ ИЗ ПРЕССОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
05.21.05 – Древесиноведение, технология и
оборудование деревообработки
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж – 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Воронежская государственная лесотехническая академия" (ВГЛТА)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Шамаев Владимир Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Бондарев Борис Александрович
доктор технических наук, профессор
Филонов Александр Андреевич
Ведущая организация: Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия (г. Санкт-Петербург)
Защита состоится 27 марта 2009 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 в 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 20 февраля 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Скрыпников А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время в мире 60 % железных дорог используют деревянные шпалы. Остальной процент составляют железобетонные, и полимерные шпалы. Срок службы сосновой шпалы составляет не более 12 лет, срок службы железобетонных шпал составляет около 50 лет. Недостатки присущи и железобетонным шпалам: отсутствует демпферное свойство у шпалы, из-за чего происходит разрушение колесных пар составов; увеличение случаев поражения людей электрическим током вследствие хорошей проводимости тока железобетоном; вынужденные замены из-за износа амортизационных прокладок каждые 7–8 лет, что приводит к большим затратам при эксплуатации шпал.
В России за последние 3 года стоимость сосновых шпал выросла с 400 до 800 рублей за штуку и продолжаются тенденции к росту. Связано это с тем, что на шпалы используются сортименты древесины хвойных пород диаметром не менее 33 см, запасы которых в Центральной зоне и на Урале истощены, а в Сибири и на Севере, где запасы велики, очень мало лесовозных дорог. Особенно остро эта проблема стоит не только для ОАО «Российские железные дороги», как естественного монополиста, но и для предприятий, имеющих подъездные пути, трамвайных управлений и метрополитенов, приобретающих ежегодно до 1 млн. штук деревянных шпал и где замена шпал оборачивается большими финансовыми потерями.
На лесосеках России ежегодно сгнивает порядка 70 млн. м3 древесины мягких лиственных пород (береза, осина, ольха, тополь и др.), состав которых в общем лесном фонде с каждым годом увеличивается, что ожидается и на ближайшие 15-20 лет.
Шпала, изготовленная из прессованной древесины по своим физико-механическим показателям не уступает деревянной, но срок службы существенно выше, чем деревянной.
Одним из основных недостатков уплотненной древесины является отсутствие формоустойчивости при воздействии влаги и воды. Влаго- и водопоглощение, а так же объемное разбухание при влаго- и водопоглощении в два и более раз выше, чем у натуральной древесины, это не позволяет изготавливать из нее шпалы. Для повышения формоустойчивости предлагается пропитать древесину перед прессованием раствором карбамида, формальдегида и воды; форконденсатом карбамидоформальдегидного олигомера; карбамидформальдегидной смолой марки КФЖ; основа этих стабилизаторов карбамидоформальдегидные соединения. При этом повышение формоустойчивости происходит на трех стадиях соединения формалина и карбамида в древесине: с помощью формалина, карбамида и воды (в щелочной среде); с помощью форконденсата карбамидоформальдегидного олигомера; с помощью карбамидоформальдегидной смолы марки КФЖ.
В перспективе планируется организовать опытно-промышленное производство железнодорожных шпал в объеме 20 тыс. штук шпал в год.
Анализ сложившегося рынка производства шпал показывает, что в ближайшее время (10-15 лет) выпуск шпал в России и мире будет иметь стабильный характер с тенденцией к увеличению через 15 лет. Выпуск шпал из формоустойчивой уплотненной древесины в планируемых объемах в течение 15 лет не приведет к насыщению рынка.
Цель исследования. Целью работы является разработка технологии повышения формоустойчивости шпал из прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера марки КФК и применение термомеханического уплотнения древесины.
Объектом исследования является механизм повышения формоустойчивости прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера марки КФК, и технология совмещенной сушки и прессования древесины.
Методы исследований. Исследования проводились на основе теоретического и экспериментального изучения процесса повышения формоустойчивости уплотненной древесины. Методика исследований проводилась в соответствии с требованиями ГОСТ на модифицированную древесину.
Значимость для теории. Разработан механизм, исключающий движение влаги и воды по водопроводящей системе древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера. Представлены предполагаемые схемы взаимодействия стабилизатора с древесиной. Реализована система прогнозирования свойств формоустойчивой уплотненной древесины на основе многокритериальной оптимизации, позволяющая находить рациональную технологию повышения формоустойчивости уплотненной древесины.
Научная новизна:
- разработан механизм повышения формоустойчивости прессованной древесины, отличающийся тем, что полимеризация стабилизатора в полостях анатомических элементов древесины исключает их из влаго- и водопроводящей системы;
- разработаны математические модели процесса получения прессованной древесины повышенной формоустойчивости, отличающиеся учетом концентрации карбамидоформальдегидного олигомера, степенью прессования древесины, температурой термообработки;
- обоснован способ одновременной пропитки здоровой и фаутной зоны древесины, отличающийся повышением прочностных свойств фаутной зоны;
- разработана технология получения деревянных шпал, отличающаяся сквозной пропиткой древесины антисептиком и стабилизатором за один цикл.
Положения, выносимые на защиту:
- механизм понижающий влаго- и водопроводность древесины, за счет полимеризации стабилизатора в полостях анатомических элементов, позволяющий повысить формоустойчивость прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера;
- математические модели повышения формоустойчивости здоровой и фаутной уплотненной древесины, позволяющие учитывать концентрацию стабилизатора, степень прессования и температуру термообработки;
- способ одновременной пропитки здоровой и фаутной зоны древесины, позволяющий повысить прочностные свойства фаутной зоны;
- технология получения шпал из уплотненной древесины повышенной формоустойчивости, позволяющая осуществлять сквозную пропитку антисептиком и стабилизатором за один цикл.
Достоверность. Достоверность научных положений основана на результатах фактического материала, полученного при проведении лабораторных исследований. В ходе проведения лабораторных исследований учитывались концентрация стабилизатора, степень прессования и температура термообработки. Полученные результаты обрабатывались методом математической статистики с использованием современного комплекса программ для персонального компьютера.
Практическая ценность работы состоит в разработке технологии повышения формоустойчивости прессованной древесины позволяющей более эффективно использовать железнодорожное полотно и увеличить срок службы шпал, а так же в сокращении расхода натуральной древесины хвойных пород за счет использования низкосортной древесины.
Полученные результаты применяются в учебном процессе при выполнении дипломных работ студентов, исследованиях аспирантов, а так же отражены в отчетах НИР кафедры.
Личное участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении научных исследований и анализа их результатов, автором разработана технология повышения формоустойчивости прессованной древесины.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на заседаниях кафедры древесиноведения ВГЛТА (2005, 2006, 2007 годы); совместных семинарах кафедр механической технологии древесины и древесиноведения ВГЛТА 2007г.; ежегодных научно-практических конференциях ВГЛТА (2005, 2006, 2007 годы); конференции «Лесной и химический комплексы-проблемы и решения», г. Красноярск 2008г.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано
8 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК, получен патент РФ на изобретение (Способ получения модифицированной древесины: Пат. 2346809 Россия МПК7 B 27 K 3/02).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и 10 приложений. Работа изложена на 171 странице машинописного текста, из них 134 страницы основного текста, 23 рисунка, 26 таблиц, список использованной литературы 154 наименований, из них 11 на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, изложена научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе рассмотрено состояние проблемы, проведен обзор публикаций и оценка состояния вопроса по стабилизации уплотненной древесины и повышению ее формоустойчивости для изготовления деревянных шпал, сформулированы задачи исследования.
В развитии теории стабилизации прессованной древесины методом пропитки большой вклад внесли ученые Е.В. Харук, В.Ф. Анненков,
Ю.П. Майко, В.А. Шамаев, С.С. Глазков, С.С. Никулин, А.А. Филонов,
Б.А. Бондарев и др.
Томиным А.А. была разработана технология совмещенного способа, сушки и прессования древесины. Сущность совмещенного способа для получения шпал для метрополитена заключается в том, что заготовку из сырой древесины с влажностью порядка 80% помещают в жидкий антисептик - каменноугольное масло, нагревают до температуры 110-130°С и сушат до влажности 15-20%, одновременно уплотняя ее путем приложения механического давления до степени сжатия 15-20% и дают остыть до температуры 15-20°С. Параллельно по времени с сушкой и прессованием, идет процесс пропитки древесины антисептиком.
Таким образом, рассматривая явления, происходящие в древесине в ходе совмещенного процесса пропитки, сушки и прессования, можно заключить, что при полном совмещении вышеуказанных стадий по месту, совмещение по времени также полное.
Особенность предлагаемого метода заключается в том, что после сушки-пропитки древесины в пропиточном агенте под механическим давлением цилиндрические заготовки приобретают форму, близкую к прямоугольной.
Этот факт обуславливает отличительную особенность данного способа модифицирования древесины - его малоотходность.
Для совмещенного способа требуется заготовка из древесины мягких лиственных пород диаметром 24-30 см, в то время как классический способ получения шпал предусматривает выпиловку шпал из лесоматериалов хвойных пород диаметром более 35 см.
Комплексный анализ в области повышения формоустойчивости прессованной древесины различными модификаторами показал возможность ее применения в качестве материала для изготовления железнодорожных шпал широкой колеи, обладающих высокими физико-механическими свойствами. Это позволило сформулировать следующую цель настоящих исследований: разработка технологии повышения формоустойчивости шпал из прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера марки КФК и применение термомеханического уплотнения древесины.
Анализ состояния вопроса позволил сформулировать задачи исследований:
- обосновать механизм повышения формоустойчивости прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера;
- разработать математические модели процесса получения из здоровой и фаутной древесины прессованной повышенной формоустойчивости, учитывающие концентрацию стабилизатора, степень прессования и температуру термообработки;
- разработать способ одновременной пропитки здоровой и фаутной зоны древесины, повышающий прочностные свойства фаутной зоны;
- разработать технологию получения шпал из уплотненной древесины повышенной формоустойчивости.
Во втором разделе проведена теоретическая разработка исследуемого вопроса. Проведен анализ факторов определяющих степень проникновения полимерного стабилизатора в структуру древесины. Причиной, побуждающей жидкость заполнять поры, являются силы поверхностного натяжения. Теория капиллярных явлений хорошо разработана для тел, имеющих сквозные капилляры. В нашем случае наряду со сквозными, играют роль так называемые тупиковые капилляры. Проникновение смачивающих жидкостей в тупиковые капилляры сопровождается сжатием воздуха тем большим, чем больше капиллярное давление. При быстром погружении пористого образца древесины в стабилизатор сквозные капилляры будут вести себя так же, как и тупиковые.
Проведенный анализ факторов, которые оказывают то или иное влияние на степень проникновения макромолекул полимерного модификатора в капиллярно-пористую структуру древесного изделия показал, что снижение вклада капиллярного эффекта на степень проникновения полимерного стабилизатора будет наблюдаться для тупиковых капилляров с радиусом пор
r > 10-5 см.
Количество тупиковых пор будет возрастать при быстром погружении пропитываемой заготовки в раствор. Так как размеры пор, рассматриваемых пород древесины, в основном характеризуются r > 10-5см, то определяющую роль на скорость пропитки будут оказывать диффузионные процессы.
Целенаправленный выбор стабилизатора уплотненной древесины для придания ей формоустойчивости определяется в первую очередь условию, чтобы линейное разбухание прессованной древесины было на уровне линейного разбухания натуральной древесины, то есть исключить распрессовку прессованной древесины и получить возможность использовать полученный материал, в качестве железнодорожных шпал.
В качестве стабилизатора форм и размеров прессованной древесины выбраны олигомеры и полимеры на основе карбамидоформальдегидных смол (КФС).
По полученным микрофотографиям структуры древесины рисунок 1 а и б можно увидеть, что раствор стабилизатора на основе КФС, подкрашенный пищевым красителем, поступая под давлением в древесину, проходит по длине сосуда в продольную веретеновидную древесную паренхиму, затем через простые и полу окомленные поры стабилизатор поступает в сердцевинные лучи. На внутренней поверхности сосуда имеющей микро впадины оседая стабилизатор, образует пленку, которая в последствии после полимеризации является фактором повышения формоустойчивости (рисунок 1а). Помимо этого лестничныеперфорации сосудов так же пропитываются стабилизатором, и после полимеризации выключают сосуды из водопроводящей системы (рисунок 1б).
1 – проникновение стабилизатора в содержимое древесной паренхимы;
2 – проникновение стабилизатора в содержимое сердцевидного луча;
3,4 – оседание стабилизатора на внутренней поверхности сосуда;
5 – проникновение стабилизатора в лестничныеперфорации сосудов.
Рисунок 1, а – микрофотография поперечного среза древесины березы пропитанной стабилизатором (УВх200).
б - микрофотография продольного среза древесины березы пропитанной стабилизатором (УВх200).
Полимеризация мономеров под действием радикальных инициаторов, перекисного и гидроперекисного типа можно представить в виде полимерного стабилизатора:
(1)
где R1; R2 – структурные звенья одного или различных типов исходных мономеров (формальдегида и карбамида).
С точки зрения структуры и функционального состава, наилучшими предпосылками для взаимодействия полимерного стабилизатора с целлюлозными компонентами древесины, будет обладать линейная макромолекула, в основной цепи которой преобладают простые одинарные связи, и содержащая кислородные группы (гидроксильные и карбоксильные).
Выбор КФС в качестве стабилизатора уплотненной древесины и, в частности, железнодорожных шпал из уплотненной древесины березы определен исходя из доступности, невысокой токсичности, стоимости и так же достаточно высоких физико-механических свойств конечного продукта за счет способности при отверждении взаимодействовать с компонентами древесины, выполняя при этом роль сшивающего агента.
Можно предположить, что возможны следующие механизмы стабилизации уплотненной древесины: 1) в щелочной среде при t не более 40°С вероятнее всего карбамид с формальдегидом образует преимущественно моно-и диметилолмочевины; 2) вязкие растворы образуются при нагревании таких растворов до 100 °С в слабощелочной среде (
) происходит поликонденсация монометилолмочевины с образованием макромолекул линейного строения.
Реакция взаимодействия целлюлозы и монометилолмочевины с образованием сложных эфиров может проходить по следующей схеме:
(2)
Так же возможно, что стабилизатор взаимодействует с лигнином. Лигнины представляют собой аморфные высокомолекулярные соединения аромотической природы, построенные из фенил пропановых звеньев.
Взаимодействие монометилолмочевины с фрагментом молекулы лигнина можно представить в виде схемы:
(3)
В третьем разделе представлены методики отбора образцов, пропитки, сушки и прессования, изучения микроструктурных признаков, проведения испытаний физических и механических свойств формоустойчивой прессованной древесины. Приведена методика планирования эксперимента и статистического анализа результатов испытаний физико-механических свойств.
Методика отбора и подготовка образцов включает в себя выбор образцов здоровой и фаутной древесины березы, и фаутной древесины осины в количестве 15 штук каждого вида. Размеры образцов 55х55х90мм (последний размер - вдоль волокон), влажностью 8-12%, определенной весовым методом, обмерялись, взвешивались, результаты измерений записывались в таблицы.
Древесина мягких лиственных пород диаметром 25см и более, используемая для изготовления шпал на 60-70% поражена в центральной зоне гнилью, что определяет необходимость модификации как здоровой, так и фаутной зоны.
Образцы здоровой древесины березы, изготовленные в соответствии с ГОСТ 16483-86, согласно ГОСТу при подготовке образцов осуществлялся контроль над качеством образцов. Не допускались к использованию образцы с трещинами, сучками, гнилью и другими дефектами. Характеристика фаутной древесины представлена в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристика фаутной древесины
| Древесина | Начальная плотность, кг/м3 | Начальная влажность, % | Стадия гниения | Тип гнили | Место расположе-ние гнили |
| Береза фаутная | 462 | 8-12 | 2 я | Белая волокнистая | ложное ядро |
| Осина фаутная | 387 | 8-12 | 2 я | Белая волокнистая | ложное ядро |
Образцы из фаутной древесины березы выпиливались из круглого древостоя диаметром 28 – 30см. При таком диаметре средний возраст древостоя составляет до 40 лет и центральную гниль еще возможно сшить при помощи стабилизатора. При изготовлении заготовок для шпал, возможно, использовать древостой диаметром от 25 до 40 см. При таком диаметре средний возраст древостоя от 40 до 60 лет. Центральная гниль у древостоя березы в возрасте более 60 лет сшивки стабилизатором не возможна.
Методика пропитки образцов заключается в приготовлении стабилизатора и введении его в древесину. Первый способ стабилизации был проведен при пропитке древесины мономерами. Был взят раствор карбамида, формальдегида и воды в соотношении соответственно 1:1:3, 20% - карбамида, 20% - формалина, 60% - воды с добавлением 1% аммиака от массы раствора для создания щелочной среды. При этом в процессе сушки, прессования и термообработки мономеры полимеризовались с образованием карбамидоформальдегидной смолы и отверждались. Второй способ стабилизации осуществлялся при пропитке древесины ранее синтезированным нами стабилизатором - карбамидоформальдегидным концентратом марки
КФК – 10. Третий способ стабилизации был проведен при пропитке древесины карбамидоформальдегидной смолой марки КФЖ.
В древесину вводили 85% данного стабилизатора. Сухой остаток стабилизатора должен быть не менее 20% по отношению к массе абсолютно сухой древесины.
Пропитка полученными стабилизаторами проводилась поочередно тремя способами: методом горяче-холодных ванн, на ультразвуковой установке марки УЗК 4-001. и экспериментальной пропиточной установке с торца под давлением. Степень пропитки определялась весовым способом.
Пропитанные стабилизатором образцы размером 55х55х90мм (последний размер вдоль волокон), подсушивались в сушильном шкафу до влажности 15% - 20% и укладывались в кассеты и далее в пресс-форму. Прессование осуществлялось в пресс-форме, на испытательной машине ZDMU-30. Последней стадией изготовления образцов является термообработка продолжительностью 2 - 3 часа при температуре от 100С до 160С. Данная операция проводится для полной полимеризации стабилизатора в древесине и фиксации размеров образцов.
Методика определения физических свойств, таких как объемное разбухание при водопоглощении ГОСТ 9629-81, объемное разбухание при влагопоглощении ГОСТ 9629-81, водопоглощние ГОСТ 21523.5-77, влагопоглощение ГОСТ 21523.6-77. Механические свойства: ударная вязкость ГОСТ 20571-75, статическая твердость ГОСТ 13338-75, предел прочности при сжатии поперек волокон ГОСТ 16483.11-73, упругие деформации
ГОСТ 13338-75, остаточные деформации ГОСТ 13338-75, предел прочности при сжатии вдоль волокон ГОСТ 16483.10-73. Испытания уплотненной древесины при переменных нагрузках является практически не исследованным. Методы испытаний на усталость при эксплуатационных режимах нагружения рекомендует форму образца для металлов, которая не может быть принята для формоустойчивой уплотненной древесины. Поэтому форма образца разработана применительно к конструкции зажимных устройств испытательной машины МВП 10000. Диаметр рабочего сечения принимаем равным d = 12 мм ±0,01.
В четвертом разделе представлены результаты предварительных экспериментов по определению объемного разбухания при водопоглощении, объемного разбухания при влагопоглощении, водо и влагопоглощения формоустойчивой уплотненной древесины. В качестве стабилизаторов использовались: 1) смесь формалина (СН2О) - 20%, карбамид (NH2СО NH2) -20% и воды – 60%, 1% аммиака; 2) карбамидоформальдегидный концентрат марки КФК-10, ТУ 2181-032-00203803-2003; 3) карбамидоформальдегидная смола марки КФЖ. В качестве материала использовалась здоровая и фаутная древесина березы, и древесина осины фаутной. Степень прессования составляла 35%, при этом плотность образцов возрастала для здоровой березы в среднем с 650 кг/м3 до 800 кг/м3, для фаутной березы с 460 кг/м3 до 700 кг/м3, для фаутной осины с 380 кг/м3 до 500 кг/м3. Температура термообработки составляла 140С, эксперимент по определению формоустойчивости проводился в течение 30 суток, замеры проводились по истечению 1, 3, 6, 10, 30 суток.
По полученным результатам установлено, что лучшие результаты получены при пропитке древесины стабилизатором КФК для всех испытанных пород древесины. Показатель предела прочности при сжатии вдоль волокон фаутной древесины достигает после введения и отверждения стабилизатора КФК прочности натуральной древесины и соответствует для березы фаутной 65,7 МПа, осины фаутной 46,5 МПа, прочность здоровой древесины березы после пропитки и прессования составляет - 106,2 МПа.
Таким образом, после стабилизации и прессования древесины с фаутной зоной мы имеем материал по прочности в периферийной зоне достигающий прочности дуба, в центральной зоне – прочности здоровой древесины березы и осины.
Оценивая результаты, предварительных экспериментов и, учитывая доступность, экологичность, стоимость, исследованность свойств стабилизатора был выбран в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидный концентрат марки КФК.
Обработка матрицы экспериментальных данных для здоровой и фаутной древесины березы повышенной формоустойчивости позволила получить математические модели учитывающие концентрацию стабилизатора К, степень прессования, температуру термообработки T. После проверки значимости коэффициентов регрессии уравнения будут выглядеть следующим образом. Для здоровой древесины березы математические модели имеют вид:
Объемное разбухание при водопоглощении:
(4)
Усталостная прочность при чистом изгибе:
(5)
Объемное разбухание при влагопоглощении:
(6)
Водопоглощение:
(7)
Влагопоглощение:
(8)
Для фаутной древесины березы математические модели имеют следующий вид:
Усталостная прочность при чистом изгибе:
(9)
Объемное разбухание при водопоглощении:
(10)
Объемное разбухание при влагопоглощении:
(11)
Водопоглощение:
(12)
Влагопоглощение:
(13)
Проверка гипотезы адекватности математических моделей производилась с помощью F-критерия (критерия Фишера). Для принятия гипотезы адекватности необходимо, что бы расчетное значение критерия Fрас было бы меньше табличного Fтаб. Значимость коэффициентов рассчитываются по t-критерию Стьюдента.
С целью определения оптимальных значений технологических параметров Xi, обеспечивающих повышенные показатели физико-механических свойств целевых функций Yi в результате повышения формоустойчивости прессованной здоровой и фаутной древесины березы была проведена многокритериальная оптимизация процесса. Для этого определяем направление оптимизации каждой функции. Направление оптимизации исследуемых функций отклика: объемное разбухание при водопоглощении, объемное разбухание при влагопоглощении, водопоглощение, влагопоглощение – min; усталостная прочность при чистом изгибе – max.
На входные контролируемые параметры накладывали ряд ограничений: концентрация стабилизатора, 10? К ?30 %; степень прессования, 20? ?50 %; температура термообработки, 120? Т ?160 С.
Используя для решения задачи многокритериальной оптимизации полученные обобщенные критерии, получаем оптимальные показатели входных и выходных величин для здоровой древесины березы: концентрация стабилизатора К=30%; степень прессования =20%; температура термообработки Т=160С. При этих параметрах оптимальные значения показателей свойств следующие: объемное разбухание при водопоглощении 
; усталостная прочность при чистом изгибе 
; объемное разбухание при влагопоглощении 
; водопоглощение 
; влагопоглощение 
. Для фаутной древесины березы оптимальные показатели входных и выходных величин следующие: концентрация стабилизатора К=10%; степень прессования =20%; температура термообработки Т=120С. Показатели свойств: усталостная прочность при чистом изгибе 
; объемное разбухание при водопоглощении 
; объемное разбухание при влагопоглощении 
; водопоглощение 
; влагопоглощение 
.
На рисунке 2 представлены данные по формоустойчивости здоровой и фаутной древесины, полученные по оптимальным режимам. Реальные деревянные шпалы всегда содержат маслянистый антисептик каменноугольное масло или ЖТК нефтяной – жидкость технологическая консервативная. Поэтому для получения достоверных данных о физико-механических свойствах прессованной древесины для шпал помимо стабилизатора в древесину вводился антисептик ЖТК. Чтобы обеспечить одновременное введение в древесину смеси стабилизатора и антисептика экспериментально подобрано необходимое количество водного раствора поверхностно активного вещества (ПАВ) - дрезината калия в количестве 6-8% от массы смеси в зависимости от соотношения стабилизатора и антисептика. Так же на время, при котором смесь не расслаивается, влияет интенсивность и время перемешивания.
Результаты эксперимента, по определению физических свойств, приближенного к реальным условиям опытно-промышленного производства шпал, на образцах здоровой и фаутной древесины березы пропитанных с торца под давлением на экспериментальной пропиточной установке смесью стабилизатора КФК и антисептика ЖТК с добавлением ПАВ, представлены на рисунке 3.
Рисунок 2 – Зависимость: а-объемное разбухание при водопоглощении; б- водопоглощение; в-объемное разбухание при влагопоглощении; г-влагопоглощение, от времени
Рисунок 3 – Зависимость: а-объемное разбухание при водопоглощении; б- водопоглощение; в-объемное разбухание при влагопоглощении; г-влагопоглощение, от времени.
Результаты механических испытаний формоустойчивой уплотненной древесины, полученной по рациональным технологическим параметрам в сравнении с древесиной сосны и дуба, представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Механические характеристики формоустойчивой уплотненной древесины березы и натуральной древесины сосны и дуба.
| Наименование испытаний | Ед. изм. | Береза здоро вая содер жание КФК 15% от массы абс. сух. др. | Береза здоро вая, КФК 15% ЖТК 35 % от массы абс. сух. др. | Береза фаутная содер жание КФК 7% от массы абс. сух. др. | Береза фаутная содер жание КФК 7%, ЖТК 45 % от массы абс. сух. др. | Сосна обыкно-венная при влаж-ности 12 % | Дуб череш-чатый при влаж-ности 12 % |
| Ударная вязкость |  | 3,77 | 4,73 | 0,66 | 0,58 | 4,1 | 7,6 |
| Статическая твердость |  | 75,0 | 53,2 | 37,5 | 30,2 | 21,3 | 54,5 |
| Предел прочности при сжатии поперек волокон |  | 16,7 | 9,3 | 4,3 | 3,8 | 5,1 | 9,1 |
| Упругие деформации |  | 61,8 | 55,4 | 50,3 | 40,2 | - | - |
| Остаточные деформации |  | 38,2 | 44,6 | 49,7 | 59,8 | - | - |
| Усталостная прочность |  | 30,7 | 32,2 | 23,8 | 30,2 | - | 40,7 |
В пятом разделе проведен анализ рынка сбыта продукции и описана технология опытно-промышленного производства шпал. Технологический процесс производства шпал из прессованной древесины повышенной формоустойчивости проводится на разработанном сушильно-прессовом комплексе СПК-5 и пропиточной установке для одновременной пропитки стабилизатором двух зон древесины, здоровой и фаутной.
Технология получения шпал заключается в следующем: шпальная заготовка поступает в пропиточную установку (рисунок 4а) где с торца под давлением происходит одновременная пропитка здоровой 1 и фаутной 2 зон, разными пропиточными составами из емкости А через внешнюю пропиточную головку 3 и емкости Б через внутреннюю пропиточную головку 4. При отсутствии у шпальной заготовки фаутной зоны пропиточный раствор поступает из емкости А как во внешнюю так и во внутреннюю пропиточную головки. Далее пропитанные шпальные заготовки 1 укладываются в сушильно-прессовую ванну СПВ-1 (рисунок 4б) где происходит сушка и прессование. Горячий маслянистый антисептик ЖТК заливается через штуцер 5, нажимная плита 6 опускаясь, равномерно уплотняет уложенные шпальные заготовки 7 до заданной степени прессования. Во время прессования и сушки температура антисептика поддерживается тэнами, встроенными в стенки ванны. По окончанию технологического процесса антисептик сливается через штуцера 8.
Рисунок 4 – а - схема пропиточной установки, б - схема сушильно-прессовой ванны СПВ-1
Основные выводы и рекомендации
В результате проведенных исследований и решения поставленных в диссертации задач получены следующие научные и практические результаты.
1. Для повышения формоустойчивости шпал из прессованной древесины рекомендуется водный раствор форконденсата карбамидоформальдегидного олигомера марки КФК, позволяющий помимо стабилизации форм и размеров увеличивать прочность фаутной зоны древесины.
2. Предложены схемы объясняющие механизм взаимодействия карбамидоформальдегидного стабилизатора с целлюлозой и лигнином исключающего анатомические элементы из влаго- и водопроводящей системы древесины.
3. Реализованы математические модели процесса получения из здоровой и фаутной древесины прессованной повышенной формоустойчивости, учитывающие концентрацию стабилизатора, степень прессования и температуру термообработки.
4. Проведенная многокритериальная оптимизация параметров технологического процесса позволила получить значения концентрации стабилизатора, степени прессования, температуры термообработки, обеспечивающие одновременное повышение формоустойчивости и прочностных свойств фаутной зоны.
5. Исследование физических, механических и эксплуатационных свойств формоустойчивой уплотненной древесины, показало, что формоизменяемость ее находится на уровне древесины дуба, а по прочности на 10-20% выше, чем у дуба.
6. Разработана технология опытно-промышленного производства шпал в объеме 20 тыс. штук в год из формоустойчивой уплотненной древесины включающая в себя новую технологию одновременной пропитки двух зон древесины и работу сушильно-прессового комплекса СПК-5.
7. Изготовлена, уложена и обследована опытная партия шпал повышенной формоустойчивости из прессованной древесины, превосходящая по прочностным и эксплуатационным характеристикам лучшие образцы шпал из древесины твердых лиственных пород.
8. Технико-экономические расчеты свидетельствуют об экономической эффективности производства шпал из формоустойчивой уплотненной древесины. Годовая прибыль при объеме производства 20 тыс.штук шпал составит 8,37 млн. рублей при сроке окупаемости 1,9 года.
Основные положения диссертации опубликованы в работах
В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России
1. Медведев, И.Н. Модифицирование натуральной и фаутной древесины мягких пород соединениями формальдегида и карбамида [Текст] / И. Н. Медведев // Вестник Московского Государственного Университета Леса – Лесной вестник. – 2007. - №4. – С.129-130.
В авторских свидетельствах, патентах
1. Пат. 2346809 Российская Федерация, МПК7 B 27 K 3/02. Способ получения модифицированной древесины [Текст] / В. А. Шамаев, И. Н. Медведев, В. В. Златоустовская, А. И. Анучин; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью Лигнум. - № 2007112593/04; заявл. 04.04.2007; опубл. 20.02.2009, Бюл. № 5. – 2с.
В статьях и материалах конференций
1. Медведев, И.Н. Основные направления повышения формоустойчивости прессованной древесины [Текст] / И.Н. Медведев, С.С. Глазков, В.А. Шамаев // Технология и оборудование деревообработки в XXI веке : межвуз. сб. науч. тр. / ВГЛТА.- Воронеж, 2005. – Вып. 3. – С. 142-146.
2. Медведев, И.Н. Математическое планирование технологических параметров стабилизации уплотненной древесины березы [Текст] / И.Н. Медведев // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления : межвуз. сб. науч. тр. / ВГЛТА.- Воронеж, 2007. – Вып. 12. – С. 37-44.
3. Медведев, И.Н. Оптимизация технологических параметров стабилизации уплотненной древесины березы [Текст] / И.Н. Медведев // Моделирование систем и процессов : научно-технический журнал / ВГУ.- Воронеж, 2007. – Вып. 4. – С. 49-52.
4. Глазков, С.С. Модель полимерного стабилизатора и оптимизация его совмещения с древесиной [Текст] / С.С. Глазков, И.Н. Медведев, А.А. Томин // Технология и оборудование деревообработки в XXI веке : межвуз. сб. науч. тр. / ВГЛТА.- Воронеж, 2005. – Вып. 3. – С. 83-90.
5. Шамаев, В.А. Основные направления модифицирования древесины [Текст] / В.А. Шамаев, П.А. Смирнов, О.А. Калинина, Н.А. Трубников, В.Г. Рахманов, И.Н. Медведев, Е.А. Долгих // Технология и оборудование деревообработки в XXI веке : межвуз. сб. науч. тр. / ВГЛТА.- Воронеж, 2005. – Вып. 3. – С. 161-167.
6. Медведев, И.Н. Стабилизация соединениями формальдегида и карбамида уплотненной древесины березы, не пораженной гнилью, и фаутной древесины для промышленного производства шпал [Текст] / И.Н. Медведев // Технология и оборудование деревообработки в XXI веке : межвуз. сб. науч. тр. / ВГЛТА.- Воронеж, 2008. – Вып. 4. – С. 75-78.
7. Медведев, И.Н. Испытания уплотненной древесины при циклических нагрузках по определению зависимости усталостной прочности при чистом изгибе от плотности древесины [Текст] / И.Н. Медведев // Технология и оборудование деревообработки в XXI веке : межвуз. сб. науч. тр. / ВГЛТА.- Воронеж, 2008. – Вып. 4. – С. 79-83.
Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.034.02 или выслать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 394613, г. Воронеж, Тимирязева, 8, Воронежская государственная лесотехническая академия, ученому секретарю.
Тел./факс. 8-4732-53-72-40
Медведев Илья Николаевич
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ФОРМОУСТОЙЧИВОСТИ ШПАЛ ИЗ ПРЕССОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 17.02.09 Тираж 100 экз.
Заказ № Объем 1 усл. п.л.
Воронежская государственная лесотехническая академия
394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8
