ООО "Центр Независимой Экспертизы" Брянск |
А.В. Савенко–
ООО «Центр Независимой экспертизы»Ю.П. Петрухин –
д-р экон. наук – ООО «Адмирал»И.В. Шубин – ООО «Радиоавтоматика»
В этой статье авторы предлагают
новые пути решения проблемы снижения напряжений и деформаций, возникающих в древесине при её сушке и, как следствие, повышения качества высушиваемых пиломатериалов.Процесс сушки древесины сопровождается неравномерным по её
объему распределением влажности. Это вызывает неравномерную усушку, что в свою очередь служит причиной образования внутренних напряжений /1/.В начальный момент процесса, когда влажность всего образца выше влажности предела гигроскопичности, усушки еще нет и напряжения в древесине отсутствуют. Когда влажность поверхностных слоев опустится ниже предела гигроскопичности, они будут стремиться к усушке. Однако это стремление не может проявиться в полной мере следствии противодействия внутренних слоев, усушка которых еще не началась. Таким образом, в данный момент времени поверхностные слои испытывают растягивающие напряжения, а внутренние слои - сжимающие напряжения.
Если бы древесина была идеально упругим материалом, внутренние напряжения, появившиеся в ней в первой стадии процесса, в дальнейшем постепенно уменьшались бы по мере перепада влажности и, наконец, исчезли бы при окончательном выравнивании влажности. В действительности напряжения в древесине исчезают на некотором промежуточном этапе процесса, а затем, к концу сушки изменяют свой знак. Причина этого -
развитие в древесине остаточных деформаций.Остаточные деформации возникают в древесине, длительно находящейся под напряжением, даже при ее стабильном влажностном состоянии. Но, кроме того, при высыхании
в напряженной древесины упругие деформации перерождаются в остаточные в связи с тем, что при понижении влажности существенно повышается модуль ее упругости.В начальной стадии процесса, когда влажная нагретая древесина обладает повышенной пластичностью, в поверхностных слоях под влиянием действующих в них растягивающих напряжений возникают остаточные деформации удлинения, а во внутренних слоях - остаточные деформации укорочения. В результате этого в конце процесса сушки усадка на поверхности окажется меньше, чем усадка внутри сортимента. Другими словами в древесине появятся сжимающие напряжения снаружи и растягивающие напряжения внутри.
Если внутренние напряжения в той или иной точке сортимента достигнут предела прочности, произойдет разрушение материала.
Считается, что совершенно избежать возникновения в древесине напряжений при сушке невозможно, но можно их значительно уменьшить и даже ликвидировать влаготермообработкой.
Влаготермообработка состоит в том, что на древесину воздействуют сушильным агентом повышенной температуры и влажности. Увлажнение поверхностных слоев при наличии сжимающих напряжений ведет к развитию в них остаточных деформаций укорочения, компенсирующих ранее возникшие остаточные деформации удлинения.
Что бы было более понятно все, что будет описано далее, целесообразно напомнить некоторые этапы
развития напряжений и методы их расчета.Действующие в древесине полные внутренние напряжения можно рассматривать как алгебраическую сумму противоположных по знаку влажностных и остаточных напряжений. Влажностные напряжения, обусловлены неравномерной усушкой древесины по объему. Они имеют временной характер и исчезают при выравнивании влажности. Остаточные напряжения обоснованы наличием в древесине неоднородных остаточных деформаций.
Следовательно, в любом случае нельзя говорить об отсутствии напряжений в конце сушки. Можно утверждать лишь то, что сжимающие остаточные напряжения в наружных слоях сортимента уравновешиваются растягивающими остаточными напряжениями во внутренних слоях сортимента.Теперь еще раз вернемся к конечной влаготермообработке и рассмотрим целесообразность ее проведения с точки зрения остаточных напряжений. Под действием полных сжимающих напряжений остаточные деформации удлинения уменьшаются, что приводит и к уменьшению остаточных напряжений. Это уменьшение, однако, очень невелико, поскольку древесина вследствие снижения влажности стала менее податливой. Численные значения некоторых реологических показателей древесины, влияющих на возможность изменения остаточных деформаций,
представлены в таблице 1 /2/.Таблица 1
Значение при влажности, МПа | ||
12%, |
30 %, |
|
Длительный модуль упругости при растяжении поперек волокон |
340 |
80 |
Модуль остаточных деформаций при растяжении поперек волокон |
650 |
330 |
Модуль остаточных деформаций при сжатии поперек волокон |
390 |
320 |
Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что проведение конечной влаготермообработки не может создать условий, при которых пластичность поверхностных слоев сортимента достигнет таких значений, при которых остаточные деформации переродятся в упругие и исчезнут. Большая часть остаточных сжимающих деформаций в поверхностной зоне компенсируются растягивающимися влажностными деформациями, возникающими из-за увлажнения поверхностных слоев во время проведения влаготермообработки.
Следовательно,
в конце сушки мы имеем сортимент, в котором даже при отсутствии внешних проявлений, в то же время имеются:-
сжимающие остаточные напряжения в поверхностной зоне;- растягивающие влажностные напряжения в поверхностной зоне;
-
растягивающие остаточные напряжения в центральной зоне.Внутренние напряжения после атмосферной сушки в несколько раз меньше, чем после камерной. Так, после атмосферной сушки сосновых и еловых пиломатериалов сжимающие напряжения в поверхностных зонах не превышали 0,5 МПа, а растягивающие во внутренней зоне – 0,2 МПа. После камерной сушки напряжения в поверхностной и внутренней зонах тех же досок составляли соответственно 4,4 и 1,7 МПа. Остаточные напряжения в древесине твердых лиственных пород и лиственницы выше, чем остальных пород. Например, в древесине бука сжимающие внутренние напряжения на поверхности достигают 7,2 МПа /2/.
Численные значения внутренних напряжений можно определить только в лабораторных условиях. Внутренние напряжения в поверхностных и центральной зонах противоположны по знаку и их алгебраическая сумма может быть равна нулю (или не превышать критических значений, приводящих к разрушению древесины) и при незначительных значениях напряжений и при критических. Особенно это становится заметно при раскрое сортиментов на заготовки. В случае продольного и (или) поперечного раскроя сортиментов наличие напряжений может остаться незамеченным, но в случае раскроя или не симметричной обработке сортимента по толщине имеющие место напряжения сразу проявят себя в виде изгиба заготовки.Таким образом, сушку древесины необходимо проводить таким образом, чтобы возникающие в процессе сушки влажностные и остаточные напряжения не превышали значений и времени которые вызывали бы остаточные деформации.
Для того чтобы провести сушку по вышеуказанным условиям необходимо
осуществлять контроль напряжений в различных слоях древесины в течении всего времени её сушки.Существующие способы качественного и количественного контроля внутренних напряжений основаны на анализе контрольных образцов, высушиваемых вместе с пиломатериалами.
Эти методы требуют достаточно много времени и специального оборудования, а также прерывания процесса сушки для
извлечения контрольных образцов. Для расчета напряжений по этому способу используется многостержневая модель доски /3 /.Б.Н. Уголев /4/,
решая одноосно статически неопределенную задачу расчета напряжений в такой модели (теоретические выкладки не приводим), показал, что напряжения в любом стержне зависят от значения послойной влажности и показателя жесткости древесины.Распределение влажности
по сечению в любой момент времени может быть установлено путем измерения её специальным датчиком. Значение показателя жесткости может быть определено по диаграммам или путем расчета в зависимости от влажности и температуры древесины.Зная значения влажности
и показателя жесткости для каждого стержня (слоя) в любой момент времени, можно провести сушку (изменять параметры сушильного агента) таким образом, что бы приращение напряжений было равно нулю или не вызывало остаточных деформаций.Исходя из этих предпосылок,
авторами был разработан и запатентован /5/ влагомер, позволяющий определять послойную влажность древесины.Датчики влагомера представляют собой стержень,
на котором через прокладки установлены кольцевые электроды. От каждого кольцевого электрода электросигнал поступает к измерительному блоку влагомера.Система управления процессом сушки древесины работает следующим образом.
В контролируемом образце, располагаемом в штабеле высушиваемых пиломатериалов, устанавливаются датчики влагомера и датчик температуры. Микропроцессор поочерёдно «запрашивает» значение влажности в отдельных слоях контрольного образца и температуру образца. По специальной программе микропроцессором определяются значения напряжений между слоями древесины и сравнивается с расчётным, величина которых не должна вызывать остаточных деформаций.
Если по фактическим значениям послойной влажности древесины и её температуре окажется, что в отдельных слоях древесины возникли напряжения, вызывающие в ней остаточные деформации, микропроцессор «даёт» команду на исполнительные механизмы управления парогенератором, воздушной заслонки или теплоносителя на «смягчение» режима сушки. Если по фактическим значениям послойной влажности древесины и ёё температуре окажется, что в отдельных слоях древесины напряжения не достигли ещё значений, вызывающие в ней остаточные деформации, микропроцессор «даёт» команду на исполнительные механизмы управления сушильного агента, например, парогенератором, воздушной заслонки или теплоносителя, на интенсификацию процесса сушки. «Опрос» микропроцессором состояния высушиваемого контрольного образца может проводиться с любым интервалом времени.Таким образом,
система управления работает в автоматическом режиме до достижения заданной конечной влажности.Использование в комплекте с микропроцессором печатающего устройства позволит зафиксировать весь процесс сушки и выдать протокол
сушки. Наличие протокола сушки является документальным подтверждением показателей процесса сушки – состояние сушильного агента, влажность древесины, её температура, время, величину внутренних напряжений и деформаций.На основе изложенного авторами разработана автоматизированная система управления процессом сушки древесины «Адмирал».
Система обеспечивает выполнение следующих функций:-
подключение напряжения сети для питания оборудования;-
включение и отключение до четырёх вентиляторов;-
включение и отключение парогенератора;-
включение и отключение до четырёх клапанов долива воды;-
включение и отключение до четырёх сервоприводов управления воздушными заслонками и шаровыми кранами подачи воды или пара;-
контроль температуры окружающего воздуха и сушильного агента;-
контроль температуры теплоносителя;-
послойный контроль влажности пиломатериалов в четырёх контрольных образцах;-
световую индексацию работы оборудования;-
диагностику состояния оборудования и измерителей;-
автоматическую реализацию процесса сушки по параметрам допустимых внутренних напряжений в древесине;-
автоматическое протоколирование параметров цикла сушки (запись истории, протокол процесса сушки).Выводы
1 Использование влагомера для измерения послойной влажности древесины в комплексе с системой управления процессом сушки позволит проводить сушку древесины более качественно без образования остаточных деформаций и напряжений.
2 Создание условий для сушки пиломатериалов без остаточных деформаций позволит существенно снизить припуски на усушку и дальнейшую механическую обработку.
3 Сушка древесины при условии
контроля напряжений и сравнения их с допустимыми значениями позволит избежать расслаивания древесины по границам ранней и поздней древесины, что особенно характерно для древесины хвойных пород.4 Использование системы управления процессом сушки древесины «Адмирал» позволяет снизить продолжительность процесса сушки в (1,5 – 2,0) раза и снизить энергопотребление до 30%.
Список литературы
1
Уголев Б.Н. Внутренние напряжения в древесине при её сушке.-М.: Гослесбумиздат, 19692
Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине: Справочник/Под ред. Б.Н. Уголева.-М.: Лесн. пром-сть,19893
ГОСТ 11603-73 Древесина. Метод определения остаточных напряжений4
Уголев Б.Н. Деформативность древесины и напряжения при сушке.-М.: Лесн. пром-сть, 19775 Решение о выдаче патента на изобретение по заявке
№ 2004109401/28(009910
от 29.03.2004 г. - Влагомер для измерения влажности древесины. - смотри патент6 Добавить первый патент
Авторы:
А.В. Савенко
В.Г. Савенко
Ю.П. Петрухин И.В. Шубин