Разработка технологии получения строганого шпона из древесины березы с ядровой гнилью
На правах рукописи
Шарапов Евгений Сергеевич
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ
СТРОГАНОГО ШПОНА ИЗ ДРЕВЕСИНЫ
БЕРЕЗЫ С ЯДРОВОЙ ГНИЛЬЮ
05.21.05 Древесиноведение, технология
и оборудование деревообработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Архангельск 2008
Работа выполнена в Казанском государственном технологическом
университете (КГТУ)
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки республики Марий Эл, Торопов Александр Степанович |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Копейкин Адольф Михайлович; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Щеглов Валентин Федорович |
| Ведущая организация: | ООО «Техстройкомплект» (424000, г. Йошкар-Ола, ул. Пугачева, 1) |
Защита состоится 9 июня 2008 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при Архангельском государственном техническом университете (АГТУ) (наб. Северной Двины, 17, главный корпус, ауд. 1228).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ
Автореферат разослан 8 мая 2008 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент | Земцовский А.Е. |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений развития деревообрабатывающей промышленности является внедрение в производство ресурсосберегающих технологий, позволяющих максимально использовать древесное сырье. На сегодняшний день большое количество древесины, как комлевой, пораженной ядровой гнилью, так и вершинной оставляется в лесу после рубок.
Распределение плотности (соответственно, механических характеристик) и характеристик внешнего вида по радиусу ствола неравномерно, и в большинстве своем изменяется от сердцевины к заболони, что наиболее сильно проявляется в комлевой древесине.
В существующих способах раскроя, в том числе и древесины, пораженной ядровой гнилью, получают выходную продукцию с различной плотностью и характеристиками внешнего вида, используя при этом сердцевинные зоны лесоматериала.
В большинстве своем, раскрой осуществляется радиальными пропилами (плоскостями деления). Применение тангенциальных плоскостей деления (или близких к тангенциальным) лесоматериала позволит добиться разделения (сортировки) получаемых частей по качественным, механическим характеристикам и характеристикам внешнего вида.
В результате анализа существующих технологий использования древесины, пораженной ядровой гнилью, можно сделать следующие выводы: существующие приоритетные направления использования древесины, пораженной ядровой гнилью, не позволяют рационально использовать здоровую, не пораженную часть низкокачественной древесины; необходимо проектирование и внедрение специализированных технологий по переработке древесины, пораженной ядровой гнилью, способствующих максимальному выходу качественной продукции.
Получение продукции с варьируемыми характеристиками по качеству позволит в условиях современного рынка обеспечить всесторонние нужды потребителей.
Одним из перспективных направлений использования древесины, пораженной ядровой гнилью, является технология производства качественной выходной продукции путем получения криволинейного строганого шпона и его выпрямления.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и научное обоснование технологии получения строганого шпона из древесины березы с ядровой гнилью.
В соответствии с поставленной целью и основными направлениями работы необходимо решить следующие основные задачи:
- Исследовать изменения величины плотности древесины березы, пораженной ядровой гнилью, по радиусу лесоматериала в комле.
- Выполнить теоретические и экспериментальные исследования влияния геометрических характеристик круглых лесоматериалов, пораженных ядровой гнилью, и вариантов раскроя по новым технологиям на величину объемного выхода строганого шпона.
- Исследовать влияние геометрических параметров криволинейных образцов шпона на величины усилий и напряжений, возникающих в растягивающихся и сжимающихся слоях, при их выпрямлении.
- Выполнить экспериментальные исследования процесса строгания по криволинейной образующей режущего инструмента.
- Экспериментально установить влияние геометрических параметров криволинейного строганого шпона на степень его выпрямления в ходе гидротермической обработки.
Предмет и методы исследований. Предмет исследований – технология получения строганого шпона из древесины березы с ядровой гнилью.
В диссертационной работе были использованы: 1) аллометрический метод и математические модели для описания образующей хлыстов и изменения величины плотности древесины березы, пораженной ядровой гнилью; 2) морфологический метод для поиска новых технологий переработки древесины березы, пораженной ядровой гнилью; 3) метод конечных элементов при моделировании процесса выпрямления криволинейных образцов шпона в пакете Mechanical Desktop Power Pack.
Для теоретических исследований и обработки экспериментальных данных применялись методы математической статистики и программы: Statgraphics 2.1, Statistica 5.0, Origin 6.1, MathCAD 2001i Professional, TableCurve 2D, Excel XP.
Научная новизна. Установлены закономерности изменения величины плотности древесины березы, пораженной ядровой гнилью, по радиусу лесоматериала в комле; установлены взаимодействия геометрических характеристик круглых лесоматериалов, пораженных ядровой гнилью, и вариантов раскроя по новым технологиям с величиной объемного выхода строганого шпона; установлены взаимосвязи геометрических параметров криволинейных образцов шпона с величинами усилий и напряжений, возникающих в растягивающихся и сжимающихся слоях при их выпрямлении; предложены новые технологии раскроя круглых лесоматериалов, пораженных ядровой гнилью, защищенные патентами РФ № 2237573, № 2252135, № 2281198, № 2283218, № 2301145, № 2304040.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- Новые технологии раскроя круглых лесоматериалов, пораженных ядровой гнилью.
- Математическая модель и результаты моделирования процесса выпрямления криволинейных образцов шпона.
- Математическая модель и результаты экспериментальных исследований величины объемного выхода строганого шпона при раскрое круглых лесоматериалов по новым технологиям.
- Результаты экспериментальных исследований процесса строгания по криволинейной образующей режущего инструмента.
- Результаты экспериментальных исследований процесса выпрямления строганого шпона в ходе гидротермической обработки.
Достоверность выводов и результатов исследований. Научные положения и выводы, изложенные в данной работе, обоснованы теоретически и отражают физическую сущность рассматриваемых явлений. Достоверность результатов исследований обеспечена применением системного подхода при разработке математических моделей и методик.
Практическая значимость.
Способы раскроя круглых лесоматериалов, пораженных ядровой гнилью, могут быть использованы при раскрое низкокачественной древесины и позволяют повысить величину объемного выхода строганого шпона при повышении качества выходной продукции.
Математические модели и результаты экспериментальных исследований величины объемного выхода строганого шпона, а также результаты морфологических исследований способов раскроя могут быть использованы при проектировании новых рациональных технологий переработки круглых лесоматериалов, пораженных ядровой гнилью.
Математические модели, результаты моделирования и экспериментальных исследований процессов раскроя круглых лесоматериалов, пораженных ядровой гнилью, по новым технологиям могут быть использованы для определения рациональных геометрических характеристик выходной продукции.
Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли производственную проверку и использованы при получении строганого шпона для фанерования опытной партии дверей в условиях ООО «Техстройкомплект».
Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2004 г.), научных конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов, сотрудников МарГТУ в 2002, 2003, 2004 гг., международной выставке «Сиблес. Деревообработка 2007» (Новосибирск, 2007 г.), всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука – региону» (Вологда, 2008 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 1 по списку ВАК. Получено 6 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 раздела, выводы и рекомендации, список литературы и приложения. Объем работы: основного текста – 120 с., иллюстраций – 35, таблиц –19, список литературы – 156 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен обзор используемых в диссертации работ, посвященных исследованию способов раскроя и переработки древесины, пораженной ядровой гнилью, сформулированы задачи исследований.
В работе использованы материалы исследований способов раскроя и переработки древесины, пораженной ядровой гнилью, ученых: П.П. Аксенова, Э.В. Алексеевой, М.Г. Анапольского, В.Ф. Ветшевой, Р.Е. Калитиевского, А.М. Копейкина, Ф.И. Коперина, В.В. Коробова, С.И. Малыгина, А.Н. Песоцкого, В.С. Петровского, Н.П. Рушнова, А.С. Торопова, Л.П. Тютиковой, У.Э. Яунсилс, В.М. Меркелова и других.
В основном данные работы посвящены исследованиям различных способов раскроя древесины, пораженной ядровой гнилью, выявлению способов, позволяющих получить наибольший объемный и качественный выход различных видов конечной продукции, анализу и описанию закономерностей распространения внутренних гнилей по разным породам древесины.
В результате обзора способов раскроя и использования древесины выявлено два основных направления развития исследований: производство технологической щепы и балансов для различных отраслей промышленности и производство короткомерной пилопродукции. Приводятся обоснования использования раскроя низкокачественной древесины различными способами. Исследованы объемы поступления низкокачественной древесины, которые во многом зависят от состояния лесов, интенсивности и методов их эксплуатации. Для перспективного планирования и проектирования выхода качественного сырья после обработки низкокачественной древесины необходимы сведения о запасах спелых и перестойных насаждений, породном составе произрастающих древостоев.
В результате исследований возможного поступления в производство древесины березы, пораженной ядровой гнилью, можно сделать вывод, что при организации производства переработки древесины березы, пораженной ядровой гнилью, примерное поступление сырья оценивается в 30% от общего количества древесины, получаемой при сплошных рубках.
Одним из перспективных направлений использования древесины, пораженной ядровой гнилью, является технология производства качественного строганого шпона. Становится необходимым проведение теоретических и экспериментальных исследований получения качественной выходной продукции по данной технологии раскроя, что послужило основой для изучения следующих глав.
Во второй главе представлены результаты исследований изменения величины плотности древесины березы, пораженной ядровой гнилью, по радиусу лесоматериала в комле.
Результатом проведенных исследований являлось выявление и анализ влияния распространения ядровой гнили на здоровые и прилегающие к гнили участки древесины по радиусу лесоматериала.
Для повышения точности математической модели изменения величины плотности в древесине, пораженной ядровой гнилью, необходимо применять кусочную аллометрию (сплайн–функцию). Применительно к данным исследованиям необходимо разделение описания математическими моделями здоровых участков древесины и участков, пораженных ядровой гнилью (1). В соответствии с этим:
(1)
Рис. 1. Величины и кривая изменения плотности части древесины березы, не пораженной гнилью, и изменения плотности части древесины березы, пораженной гнилью
Уравнение изменения плотности части древесины березы, не пораженной гнилью: 
.
Максимальная величина отклонения теоретических данных от фактических составляет 2,67%.
Уравнение изменения плотности части древесины березы, пораженной гнилью: 
.
Максимальная величина отклонения теоретических данных от фактических составляет 5,49%.
В третьей главе представлены результаты теоретических исследований способов раскроя древесины, пораженной ядровой гнилью.
Приведены морфологические исследования, в результате которых была построена морфологическая таблица технологий раскроя древесины, пораженной ядровой гнилью.
На основании данной морфологической таблицы синтезированы новые технологии использования древесины, пораженной ядровой гнилью, защищенные патентами РФ № 2237573, № 2252135, № 2281198, № 2283218, № 2301145, № 2304040.
Приведены теоретические исследования влияния геометрических характеристик круглых лесоматериалов, пораженных ядровой гнилью, и вариантов раскроя по новым технологиям на величину объемного выхода строганого шпона.
Результатом проведенных исследований явилось определение количественных характеристик схем раскроя по новым технологиям использования лесоматериалов, пораженных ядровой гнилью.
Согласно морфологическим исследованиям новых технологий раскроя древесины, выделены четыре варианта деления древесины, пораженной ядровой гнилью.
Определены формулы расчета толщин и объемов листов строганого шпона по всем вариантам деления.
1. Строгание по криволинейной поверхности (деление осуществляется по годичным слоям):
а) совместное расположение оси пораженного слоя и оси лесоматериала (2):
, (2)
Рис. 2. Варианты получения строганого шпона из древесины, пораженной ядровой гнилью:
1. Строгание по криволинейной поверхности (строгание сектора осуществляется по годичным слоям): а – совместное расположение оси пораженного слоя и оси лесоматериала, б – расположение оси пораженного слоя смещено относительно оси лесоматериала; 2. Строгание по криволинейной поверхности (строгание сектора осуществляется по одному радиусу кривизны): в – совместное расположение оси пораженного слоя и оси лесоматериала, г – расположение оси пораженного слоя смещено относительно оси лесоматериала. 1 – лесоматериал, 2 – пораженный слой, 3 – получаемый шпон, 4 – контуры смещения рабочего органа (траектория движения)
б) расположение оси пораженного слоя смещено относительно оси лесоматериала:
, (3)
.
Объем листа шпона при делении со стороны образующей V м3 находится следующим образом:
. (4)
2. Строгание по криволинейной поверхности (деление осуществляется по одному радиусу кривизны):
а) совместное расположение оси пораженного слоя и оси лесоматериала;
б) расположение оси пораженного слоя смещено относительно оси лесоматериала.
Толщина строганого шпона а, м на оси, по которой происходит смещение траектории деления, определяется (5):
. (5)
Итоговое выражение для нахождения площади сечения листа строганого шпона (части древесины, не пораженной ядровой гнилью) имеет следующий вид (6):
(6)
Объем листа строганого шпона (части древесины, не пораженной ядровой гнилью) V, м3 определяется по формуле (7):
(7)
Приведены теоретические исследования влияния геометрических параметров криволинейных образцов шпона на величины усилий и напряжений, возникающих в растягивающихся и сжимающихся слоях при их выпрямлении.
Выпрямление криволинейного образца шпона, с точки зрения сопротивления материалов, рассматривается как изгиб бруса. Практика применения и расчета балок, а также результаты предэксперимента по выпрямлению криволинейных образцов шпона (рис. 1.1) показали, что в подавляющем большинстве опасным является то сечение, где 
, поэтому практический проверочный расчет заготовок на прочность состоит в применении условия прочности по нормальным напряжениям.
Рис. 3. Криволинейный образец шпона:
R – радиус кривизны образца шпона, м; h – высота образца шпона, м;
– угол сектора; rн – радиус кривизны нейтрального слоя (н.с.), м
При решении задачи о выпрямлении криволинейного образца шпона необходимо учитывать влияние сдвига на форму упругой линии образца.
Если исходить из обычной зависимости между изгибающим моментом и изменением кривизны образца шпона
, (8)
то полное выпрямление криволинейной образца шпона наступит при силе давления 
. Для полного выпрямления образца необходимо, чтобы момент во всех точках был равен 
. В реальных условиях искомая сила оказывается конечной.
Полученное противоречие объясняется тем, что при изгибе силой Р у концов образца шпона, где изгибающий момент невелик, изменение кривизны происходит, главным образом, за счет деформаций сдвига, которые необходимо учесть.
При этом изменение кривизны образца шпона, прижатого к плоскости, 
, в этом случае
, 
.
Решая дифференциальное уравнение (1), находим момент сечения
.
Величина 
, 
.
Определяем максимальный момент, при М1 = 0
.
Максимальные напряжения, возникающие в растягивающихся и сжимающихся слоях соответственно (образец большой кривизны формулы (9); малой кривизны формулы (10))
, 
, (9)
, 
. (10)
Усилие необходимое для выпрямления криволинейных образцов шпона,10–1 Н.
. (11)
Рис. 4. Зависимость изменения напряжений в растягивающихся слоях
криволинейного образца шпона от его высоты и радиуса закругления
(береза, влажность 30%, угол сектора 0,525 рад., образец малой кривизны)
Ось Х – высота образца, 10–3 м. Ось Y – радиус кривизны образца, см.
Ось Z – прочность, Н·10–1/10–4 м.
Разработанная математическая модель процесса выпрямления криволинейных образцов шпона позволяет определять величины максимальных напряжений, возникающих в растягивающихся и сжимающихся слоях образцов. Сравнение полученных напряжений с предельно допустимыми, в зависимости направления действия силы относительно направления волокон древесины, и ее влажностных характеристик, позволит определить рациональные геометрические характеристики криволинейных образцов шпона, при которых процесс выпрямления будет происходить в пределах упругих деформаций, без потери механической прочности и разрушении образцов. Данная модель позволяет определять величину усилия необходимого для выпрямления криволинейных образцов шпона.
Приведены результаты моделирования процесса выпрямления криволинейных образцов шпона.
Следуя рекомендациям проф. Л.Н. Леонтьева и проф. Н.П. Хухрянского, оптимальным значением влажности древесины предназначенной для гнутья, увеличивающим ее пластичность принимается влажность 30%, температура образца в 100 0С также обеспечивает наибольшую ее пластичность. При этом применительно к моделированию процесса выпрямления криволинейных образцов шпона величина влажности образцов оказывает влияние на величину модуля упругости Е, МПа. Также, на основании теоретических предпосылок, ширина образца В·10–2 м, на напряжения, возникающие в растягивающихся и сжимающихся слоях образцов, не оказывает воздействия, однако, ее увеличение приводит к увеличению усилия, необходимого для выпрямления образца. Величину ширины образцов, используемых в эксперименте, примем 20·10–3 м. Таким образом, из стабилизируемых факторов процесса можно выделить: W – влажность образца 30 %; на основании облегчений условий проведения опыта температуру образца устанавливаем в 20 0С (другую температуру с постоянным значением для всех экспериментов, заведомо считая оптимальной температурой 100 0С); ширина образца 5·10–3 м. Варьируемые факторы: H – высота образца, см; R1 – радиус кривизны образца 10–2 м; – угол сектора образца, гр. Выходная величина процесса гнутья – усилие необходимое для выпрямления криволинейного образца шпона, 10–1 Н. На основании теоретических предпосылок процесса выпрямления криволинейных образцов шпона выбираем математическую модель – полином второго порядка.
Область значений высоты образцов Н (0,5-1)·10–2м, интервал варьирования фактора 0,25·10–2 м. Область значений радиуса кривизны образцов R1 (14-20)·10–2 м, интервал варьирования фактора 3 см. Область значений угла сектора образцов (0,524-1,047) рад., интервал варьирования фактора 0,175 рад.
В соответствии с разработанным планом эксперимента в программной среде Mechanical Desktop Power Pack были смоделированы исследуемые криволинейные образцы шпона с заданными геометрическими характеристиками в натуральных величинах. Моделирование происходило в трехмерном пространстве, что позволяло наглядно отображать весь процесс выпрямления. На первом этапе моделирования задавались расположения опор образцов в пространстве. Последующее нагружение образцов позволяло определить искомую величину усилия, с помощью которой выпрямлялся образец. Фиксированными значениями при моделировании являются величины: модуль упругости для 28% влажности равный 1000·Н/10–6м2; величина коэффициента Пуассона 0,499 определяется в соответствии направления ее деформации относительно волокон; предел эластичности Re для криволинейных образцов шпона определяется в соответствии с предельно допустимым значением напряжения, возникающего в растягивающихся слоях, равный 11,1·Н/10–6м2 (МПа).
Анализ экспериментальных данных производился с помощью статистической программы Statgraphics 2.1.
Уравнение приспособленной модели:
P = 130,765*H – 5,38044*R+ 1,46567*
+ 156,65*H^2 – (12)
– 36167*H*R – 2,3215*H*
+ 0,193403*R^2 + 0,0630417*R*
–
– 0,0178188*
^2 -14,7848.
Для проверки адекватности модели (12) была рассмотрена карта Парето и таблица дисперсионного анализа: члены, дающие значимые эффекты: высота (H), радиус (R), угол (
) и три квадратичных члена АА, АВ и АС. Квадрат коэффициента множественной корреляции (коэффициент детерминации) показывает, что построенная регрессия объясняет более 99,6401% разброса относительно выборочного среднего зависимой переменной.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния геометрических характеристик и способов раскроя круглых лесоматериалов, пораженных ядровой гнилью, на величину объемного выхода строганого шпона, результаты экспериментальных исследований процесса строгания по криволинейной образующей режущего инструмента и результаты экспериментальных исследований влияния геометрических параметров криволинейного строганого шпона на степень его выпрямления в ходе гидротермической обработки.
Согласно методике экспериментальных исследований влияния геометрических характеристик круглых лесоматериалов, на величину объемного выхода строганого шпона при раскрое древесины, пораженной ядровой гнилью, новыми способами, заготовки для строгания раскраивались на сверлильно-пазовальном станке СВП с помощью цилиндрических пил. Пилы поочередно закреплялись в кулачках станка и могли передвигаться в вертикальном направлении. Заготовки закреплялись на столе так, чтобы плоскость торца была перпендикулярно направлению движения пилы. Далее производили раскрой таким образом, чтобы удалить гниль диаметр которой занимал половину диаметра лесоматериала, в случае раскроя сектора – половину радиуса сектора. Производились замеры полученных заготовок для строгания, рассчитывался полезный выход.
Рассмотрены все факторы влияющие на процесс раскроя низкокачественного сырья, согласно представленной методике. Входные факторы эксперимента: диаметр лесоматериала (равный диаметру пилы) (D, м); угол сектора (S, град.). Выходная величина – объемный выход (Р, %). Составлен В-экспериментальный план второго порядка в натуральных обозначениях факторов:
Таблица 1
| № опыта | Диаметр лесоматериала (диаметр пилы), м | Угол секора, град. | № опыта | Диаметр лесоматериала (диаметр пилы), м | Угол секора, град. | ||
| ПФП | 1 | 0,127 | 180 | Звездные точки | 5 | 0,127 | 112,5 |
| 2 | 0,078 | 45 | 6 | 0,078 | 112,5 | ||
| 3 | 0,127 | 45 | 7 | 0,1025 | 180 | ||
| 4 | 0,078 | 180 | 8 | 0,1025 | 45 | ||
Анализ экспериментальных данных производился с помощью статистической программы Statgraphics 2.1.
Уравнение приспособленной модели:
Р, % = 50,3166 + 531,312*D + 0,107576*S – 2563,63*D^2 – 0,779375*D*S – (13)
– 0,000578985*S^2.
Согласно таблице дисперсионного анализа и карте Парето можно утверждать о значимости всех коэффициентов регрессии (13). Исходя из таблицы дисперсионного анализа квадрат коэффициента множественной корреляции (коэффициент детерминации) показывает, что построенная регрессия объясняет более 99,5937 % разброса относительно выборочного среднего зависимой переменной. Расхождение экспериментальных данных и теоретических расчетов составляет не более 5%.
Для проведения исследований процесса строгания по криволинейной образующей режущего инструмента вдоль волокон был использован маятниковый копер.
Результатом проведенных экспериментальных исследований процесса строгания по криволинейной образующей режущего инструмента вдоль волокон явилось установление влияния толщины срезаемого слоя шпона Т·10–3, м, углов резания, 0,0175 рад. и величины разности радиусов закругления волокон древесины и криволинейного ножа ·10–3, м. на энергосиловые показатели – работа А, Дж, удельная работа резания U ·10–7, Дж/м.
В ходе факторного планирования эксперимента была получена регрессионная зависимость изменения удельной работы резания в процессе строгания по криволинейной образующей режущего инструмента вдоль волокон. В-экспериментальный план второго порядка в натуральных обозначениях факторов:
Таблица 2
| № опыта | Т·10–3, м | ·10–3, м |  , 0,0175 рад. | № опыта | Т·10–3, м | ·10–3, м |  , 0,0175 рад. | ||
| ПФП | 1 | 0,2 | -25 | 30 | Звездные точки | 9 | 0,2 | 0 | 40 |
| 2 | 1 | -25 | 30 | 10 | 1 | 0 | 40 | ||
| 3 | 0,2 | 25 | 30 | 11 | 0,6 | -25 | 40 | ||
| 4 | 1 | 25 | 30 | 12 | 0,6 | -25 | 40 | ||
| 5 | 0,2 | -25 | 50 | 13 | 0,6 | 0 | 30 | ||
| 6 | 1 | -25 | 50 | 14 | 0,6 | 0 | 50 | ||
| 7 | 0,2 | 25 | 50 | ||||||
| 8 | 1 | 25 | 50 | ||||||
Анализ экспериментальных данных производился с помощью статистической программы Statgraphics 2.1.
U = 0,918031 – 0,788188*T + 0,001706* – 0,00396*
+ 0,385156*T^2 + (14)
+ 0,00325*T* – 0,00825*T*
+ 0,0000842*^2 – 0,000063**
+
+ 0,00018125*
^2.
Согласно таблице дисперсионного анализа и карте Парето можно утверждать о значимости одного коэффициента полученной регрессии (14) – толщины строганого шпона T. Квадрат коэффициента множественной корреляции (коэффициент детерминации) показывает, что построенная регрессия объясняет более 87,7365% разброса относительно выборочного среднего зависимой переменной.
Согласно полученной регрессионной модели:
Рис. 4. Графики изменения удельной работа резания от варьируемых факторов:
толщины шпона Т, 10–3 м, углов резания, 0.0165 рад. и величины разности радиусов закругления волокон древесины и криволинейного ножа, 10–3 м.
Результатом проведенных экспериментальных исследований влияния геометрических параметров криволинейного строганого шпона на степень его выпрямления в ходе гидротермической обработки явилось установление влияние толщины В криволинейного шпона на выходную величину – изменение радиуса изгиба образца шпона R при высушивании до абсолютно сухого состояния.
Заготовки для образцов древесины березы проваривали при t = 96 C в течение 50 минут, после чего получали образцы шпона путем строгания по криволинейной образующей режущего инструмента; на момент изготовления образцы имели влажность W30% и температуру t = 70-60 C0.
Рис. 5. Условная схема криволинейного образца шпона и заготовки для его получения
После изготовления образцы строганого шпона маркировались (с указанием номинальной толщины и порядкового номера образца) и помещались в сушильный шкаф на 2 часа, после чего выдерживались в комнатных условиях 15-18 часов и измерялись.
Рис. 6. Схема измерений параметров криволинейных однородных заготовок
Радиус криволинейного образа шпона вычисляется по формуле (15), 10–3м:
, (15)
где D – длина хорды дуги образца шпона, 10–3 м; Н – высота дуги образца шпона, 10–3 м.
Длина хорды и высота дуги измеряется штангенциркулем с точностью до 0,1·10–3м, замеры в 3-х точках. Вычисляется средний радиус. Фактическая толщина образца шпона измеряется при помощи микрометра в 3-х точках. Вычисляется средняя толщина.
Вследствие проведения экспериментальных исследований была получена зависимость изменения радиуса изгиба образца строганого шпона R·10–3 м при высушивании до абсолютно сухого состояния от толщины В·10–3 м.
Рис. 7. Зависимость изменения радиуса изгиба образцов строганого шпона R·10–3 м при высушивании до абсолютно сухого состояния от толщины В·10–3 м
Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли производственную проверку и использованы при получении строганого шпона для фанерования опытной партии дверей в условиях ООО «Техстройкомплект». Ожидаемый экономический эффект при производстве одной двери составляет 0,12 тыс. руб.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Установлены закономерности изменения величины плотности древесины березы, пораженной ядровой гнилью, по радиусу лесоматериала в комле. Повышение точности математических моделей описания изменения величины плотности возможно при применении кусочной аллометрии (сплайн-функции), при этом описание необходимо разделять на зоны здоровых и пораженных участков.
2. На основании результатов морфологических исследований разработаны новые способы раскроя древесины, пораженной ядровой гнилью, защищенные патентами РФ № 2237573, № 2252135, № 2281198, № 2283218, № 2301145, № 2304040.
3. Для упрощения расчета величины объемного выхода и геометрических характеристик строганого шпона возможно представление величины смещения оси гнили от оси лесоматериала лишь на одной координатной оси по варианту совпадения одной из координатных осей и оси пораженного слоя лесоматериала.
4. Определены зависимости влияния геометрических параметров криволинейных образцов шпона на величины усилий и напряжений, возникающих в растягивающихся и сжимающихся слоях при их выпрямлении. Наибольшее влияние на величину напряжений оказывает величина высоты образца шпона h, изменение высоты в пределах 0,7·10–3-10,5·10–3м вызывает изменение величины напряжений растяжения в пределах 2,49·Н·10–1/10–4 -35,7·Н·10–1/10–4 м.
5. Определяющим параметром выпрямления криволинейных образцов шпона является их влажность, изменение величины влажности в пределах 6-28%, позволяет добиться изменений величин напряжений, возникающих в растягивающих и сжимающих слоях, в 6,5 раз.
6. Установлены взаимодействия геометрических характеристик круглых лесоматериалов, пораженных ядровой гнилью, и вариантов раскроя по новым технологиям с величиной объемного выхода строганого шпона. Согласно экспериментальным и теоретическим исследованиям, применение новых способов раскроя древесины, пораженных ядровой гнилью, позволит добиться величины объемного выхода в пределах 77-78%.
7. Проведены экспериментальные исследования процесса строгания по криволинейной образующей режущего инструмента, согласно полученной регрессионной зависимости наибольшее влияние на величину удельной работы резания оказывает величина толщины строганого шпона.
8. Выполнены экспериментальные исследования процесса выпрямления строганого шпона в ходе гидротермической обработки (сушки), согласно которым происходит полное выпрямление образцов криволинейного строганого шпона, имеющих толщины в пределах до 1,6·10–3м, при этом частичное выпрямление образцов происходит непосредственно после их получения. Образцы в пределах 1,6·10–3-2,0·10–3 м не изменяют своего радиуса кривизны либо изменяют его незначительно.
Основные обозначения:
, 
– плотность пораженной гнилью и здоровой частей исследуемого предмета труда соответственно, кг/м3; 
,
– начальная плотность пораженной гнилью и здоровой частей исследуемого участка керна соответственно, кг/м3; aП, аЗ, bП, bЗ – константы начального состояния и равновесия пораженной гнилью и здоровой частей исследуемого предмета труда соответственно; LП, LЗ – расстояние по радиусу от оси исследуемого образца пораженного и здорового частей исследуемого предмета труда соответственно, м; hшпона – толщина шпона, м; dл – диаметр лесоматериала, м; dгн – диаметр гнили, м; кi – припуск на удаление коры, м; Ri – припуск на удаление гнили, м; n – количество листов шпона; 
– толщина шпона (первая и четвертая четверти);
– толщина шпона (первая и четвертая четверти); Р– площадь поперечного сечения, м2; L– длина образца, м; Ri – внешний радиус криволинейного образца шпона, м; Li – длина образца шпона, м; N – количество секторов, на которые будет раскраиваться лесоматериал;
обозначения для модели расчета объема полезного выхода: V, 10–6 м: D – диаметр лесоматериала в торце, 10–2 м; S – величина смещения оси гнили относительно оси лесоматериала, 10–2 м; N – сбег, 10–2 м; R – радиус кривизны криволинейного образца шпона, м; М – изгибающий момент, Нм; Е –модуль упругости, МПа; J – момент инерции сечения, м4, равный 
; b – ширина образца шпона, м; h – высота, м; G – модуль сдвига, Н·10–1/10–4м; F – площадь поперечного сечения образца шпона, 10–4 м2; К – коэффициент, равный для образцов прямоугольного сечения; 
– расстояние от оси криволинейного образца шпона до нейтрального слоя, м; 
– расстояния от внутреннего слоя до нейтральной линии, м; 
– расстояния от внутреннего слоя до нейтральной линии, м; R1 – радиус кривизны до внутреннего слоя, м;
обозначения для модели расчета усилия, необходимого для выпрямления криволинейных образцов шпона: H – высота образца шпона, 10–2 м; R – радиус кривизны, 10–2 м; 
– угол сектора криволинейного образца шпона, 0,0175 рад.;
обозначения для модели определения удельной работы резания при строгании по криволинейной образующей режущего инструмента: Т – толщина строганого шпона, 10–3 м; – величины разности радиусов закругления волокон древесины и криволинейного ножа, 10–3м; 
– угол резания, 0,0175 рад.; U – удельная работа резания,10^–7 Дж/м.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах, в т.ч. по перечню ВАК
1. Торопов, А. С. Исследование плотности древесины березы, пораженной сердцевинной гнилью [Текст] / А. С. Торопов, Е. С. Шарапов // Изв. вузов. Лесн. журн. – 2006. – №6. – С. 34-43.
2. Пат. 2237573 Российская Федерация МПК7 В 27 В 1/00. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль [Текст] / Торопов А. С., Шарапов Е. С. ; заявитель и патентообладатель Марийск. гос. техн. ун-т. – № 2003103664/12 ; заявл. 06.02.2003 ; опубл. 10.10.2004, Бюл. № 28. – 1 с.
3. Торопов, А. С. Исследование технологии получения однородной пилопродукции из древесины, пораженной сердцевинной гнилью [Текст] / А. С. Торопов, Р. Г. Сафин, Е. С. Шарапов // Материалы науч.-техн. конф. МарГТУ в 2004 году / под ред. В. А. Иванова. – Йошкар-Ола: Марийск. гос. техн. ун-т., 2004. – С. 113-114.
4. Шарапов, Е. С. Исследование физико-механических свойств березы, пораженной сердцевинной гнилью [Текст] / Е. С. Шарапов, Л. П. Волкова // Материалы науч.-техн. конф. МарГТУ в 2004 году / под ред. В. А. Иванова. – Йошкар-Ола: Марийск. гос. техн. ун-т., 2004. – С. 115-116.
5. Методика исследований физико-механических свойств древесины, пораженной сердцевинной гнилью [Текст] / А. С. Торопов, Е. С. Шарапов, Л. П. Волкова, А. В. Жарова // Материалы науч.-техн. конф. МарГТУ в 2004 году / под ред. В. А. Иванова. – Йошкар-Ола: Марийск. гос. техн. ун-т., 2004. – С. 119-120.
6. Торопов, А. С. Методика экспериментальных исследований процесса получения однородной продукции из криволинейных заготовок путем распаривания и гнутья [Текст] / А. С. Торопов, Е. С. Шарапов // Материалы науч.-техн. конф. МарГТУ в 2004 году / под ред. В. А. Иванова. – Йошкар-Ола: Марийск. гос. техн. ун-т., 2004. – С. 121-122.
7. Новые технологии рационального раскроя комлевой части хлыстов с ядровой гнилью [Текст] / А. С. Торопов, Е. Ю. Разумов, Е. С. Шарапов и др. // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: Материалы междунар. научн.-техн. конф. / Под. ред. Р. В. Дерягина. – Вологда: Вологод. гос. техн. ун-т., 2005. – С. 54-56.
8. Пат. 2252135 Российская Федерация МПК7 В 27 В 1/00. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль [Текст] / Торопов А. С., Шарапов Е. С., Конаков А. В., Махотин А. М. ; заявитель и патентообладатель Марийск. гос. техн. ун-т. – № 2004106074/02 ; заявл. 01.03.2004 ; опубл. 20.05.2005, Бюл. № 14. – 1 с.
9. Пат. 2281198 Российская Федерация МПК7 В 27 В 1/00. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль [Текст] / Торопов А. С., Сафин Р. Г., Сафин Р. Р., Шарапов Е. С. ; заявитель и патентообладатель Марийск. гос. техн. ун-т. – № 2005103687/03 ; заявл. 11.02.2005 ; опубл. 10.08.2006, Бюл. № 22. – 2 с.
10. Пат. 2283218 Российская Федерация МПК7 В 27 В 1/00. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль [Текст] / Торопов А. С., Шарапов Е. С., Шарапов А. С., Павлов Д. В. ; заявитель и патентообладатель Марийск. гос. техн. ун-т. – № 2004139154/02 ; заявл. 31.12.2004 ; опубл. 10.09.2006, Бюл. № 30. – 1 с.
11. Торопов, А. С. Исследование технологии получения однородных заготовок из березы, пораженной сердцевинной гнилью [Текст] / А. С. Торопов, Е. С. Шарапов // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. научных трудов по итогам междунар. науч.-техн. конф. / под. ред. Е. А. Панфилова. – Брянск: Брянск. гос. инж.-техн. акад., 2006. – Вып. 14. – С. 164-167.
12. Торопов, А. С. Морфологический метод исследований технологий использования древесины [Текст] / А. С. Торопов, Е. С. Шарапов // Гражданское общество: идеи, реальность, перспективы: материалы межрегион. науч.-практ. конф. в 2 ч.: ч. 2 / под. ред. В. Г. Темирясова. – Казань: Изд. «Таглимат» Инст. эконом., управ. и права, 2006. – С. 215-216.
13. Пат. 2301145 Российская Федерация МПК7 В 27 В 1/00. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль [Текст] / Торопов А. С., Шарапов Е. С., Хуртин В. Л., Конаков А. В., Шарапов А. С., Пукемов А. В. ; заявитель и патентообладатель Марийск. гос. техн. ун-т. – № 2005117892/03 ; заявл. 06.09.2005 ; опубл. 20.06.2007, Бюл. № 17. – 1 с.
14. Пат. 2304040 Российская Федерация МПК7 В 27 В 1/00. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль [Текст] / Торопов А. С., Шарапов Е. С., Фатыхов И. Р., Саляхутдинов Ф. Ф. ; заявитель и патентообладатель Марийск. гос. техн. ун-т. – № 2006101070/03 ; заявл. 01.11.2006 ; опубл. 08.10.2007, Бюл. № 22. – 1 с.
15. Обоснование ресурсосберегающих технологий лесопромышленного комплекса, адаптированного к природным условиям Пермского края, с минимизацией затрат на лесовосстановление [Текст]: отчет о НИР (заключ.) / М-во пром-сти и природных ресурсов Пермского края ; науч. рук. д.т.н. Якимович С. Б. ; рук. раздела Торопов А. С. ; исполн.: Шарапов Е. С. [и др.]. – Йошкар-Ола, 2007. – 180 с.: ил. – Библиогр.: с. 180. – Инв. № 2007-01.29.
