Контроль різниці фактичних та допустимих значень перепаду вологи за товщиною висушуваного пиломатеріалу Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

4. 1НФОРМАЦ1ЙН1 ТЕХНОЛОГИ

нлты

УКРЛ1НИ

wi/ган

Науковий bIch и к НЛТУУкраТни Scientific Bulletin of UNFU http://nv.nltu.edu.ua

https://doi.org/10.15421/40270627

Article received 18.09.2017 р. Article accepted 28.09.2017 р.

УДК 634.0.812

ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)

@ EE3 Correspondence author B. P. Pobereyko [email protected]

Б. П. Поберейко, Л. О. Флуд, А. А. Мокрицький

Нацюнальний лкотехшчний утверситет Украши, м. Львiв, Украта

КОНТРОЛЬ Р1ЗНИЦ1 ФАКТИЧНИХ ТА ДОПУСТИМИХ ЗНАЧЕНЬ ПЕРЕПАДУ ВОЛОГИ

ЗА ТОВЩИНОЮ ВИСУШУВАНОГО ПИЛОМАТЕР1АЛУ

Викладено актуальшсть теми та наведено постановку задача Для виршення поставлено! задачi у рамках механжи су-цшьного середовища та з використанням критерiю мiцностi Голденблата-Копнова побудовано нову математичну модель для визначення граничних значень компонентiв тензора напружень та допустимого перепаду вологи у тангентальних пило-матерiалах з параболiчним та косинусо1дальним розподiлами вологовмюту. За допомогою методу Рiтца знайдено розв'язки ше! моделi у виглядi аналiтичних залежностей допустимих перепадiв вологи ввд фiзико-механiчних властивостей деревини та геометричних розмiрiв дошки. На оснж отриманих залежностей запропоновано новий споаб для своечасного виявлення допустимих перепадiв вологи у висушуваних пиломатерiалах, який полягае у: теоретичному визначеннi граничних абсолют-них значень рiзницi вдаосних вологостей пластi та центрального шару дошки зi змiнним вологовмютом; експериментально-му вимiрюваннi фактичних значень ше! рiзницi та подальшому порiвняннi теоретичних та фактичних перепадiв вологи у де-ревинi. Для практично! реалiзацil цього способу розроблено функцiональну схему для побудови системи контролю допустимих перепадiв вологи у пиломатерiалах з рiзними геометричними розмiрами та описано алгоритм !! роботи.

Ключовi слова: допустимий перепад вологи; поточний перепад вологи; система контролю.

Актуальшсть теми. Одшею з важливих задач технологи гiдротермiчного оброблення деревини е визначення залежносп допустимого перепаду вологи у вису-шуваному пиломатерiалi вiд часу сушiння. Адже у пи-ломатерiалах iз перепадами вологи, значення яких е бшьшими за допустимi, виникають залишковi напру-ження, як1 негативно впливають на яшсть пилопродук-цЦ. Проте проблема полягае не в наявносп полiв цих напружень, а у вщсутносп методiв !х усунення та контролю, i саме тому вони е небажаними не тiльки у вису-шених, але i у висушуваних пиломатерiалах.

Пиломатерiали потрiбно сушити так, щоб поточний перепад вологи АЖ(т) за !х товщиною не перевищував допустимих значень АЖдоп(т). Параметри агента сушш-ня (швидшсть, температура, вiдносна вологiсть) потрiб-но змшювати з часом таким чином, щоб АЖ(т) не пере-вищувало АЖдоп(т).

Постановка задачь Одшею з основних оцшок раш-ональносп наявних режимiв сушiння гiгроскопiчних кашлярно-пористих матерiалiв е умова (Bilei, Soko-lovskyi & Pavliust, 2010)

Тому для контролю рiзницi допустимого та фактичного перепадiв вологи у запропоновано новий споаб, практична реалiзацiя якого полягае у: а) розробленш алгоршадчного та програмного забезпечення розрахун-ку АЖдоп; б) вишрюванш фактичних перепадiв вологи у пиломатерiалi зi змiнним вологовмiстом; в) порiвняннi теоретичних та фактичних перепадiв вологи у висушу-ваному матерiалi для прийняття рiшення про доцшь-шсть подальшого зневоднення деревини, зберiгаючи поточний режим сушшня.

Математична модель визначення допустимого перепаду вологи у тангентальних пиломатерiалах. Для визначення значень величини АЖдоп побудовано новi математичнi моделi для визначення компонентiв тензора мiцностi та допустимого перепаду вологи у пи-ломатерiалах з параболiчним та косинусо!дальним роз-подiлами вологи, складниками яко! е: • рiвняння рiвноваги

AWdon(z) -AW (т) > 0.

(1)

dax _ drXy; dx dy дтху _ day; dx dy

(2)

1нформацт про aBTopiB:

Поберейко Богдан Петрович, д-р техн. наук, професор, завщуючий кафедри АК1Т. Email: [email protected] Флуд Любомир Олегович, асистент кафедри IT. Email: [email protected] Мокрицький Андрiй Анатолшович, аспiрант. Email: [email protected]

Цитування за ДСТУ: Поберейко Б. П., Флуд Л. О., Мокрицький А. А. Контроль рiзницi фактичних та допустимих значень перепаду

вологи за товщиною висушуваного пиломатерiалу. Науковий вкник НЛТУ УкраУни. 2017. Вип. 27(6). С. 135-138. Citation APA: Pobereyko, B. P., Flud, L. O., & Mokrytskyi, A. A. (2017). Monitoring of the Difference Between Actual and Permissible Values of the Moisture Drop by Dried Timber Thickness. Scientific Bulletin of UNFU, 27(6), 135-138. https://doi.org/10.15421/40270627

1 ршняння сумгжносл

д 2.

д2ех д2Ey _ d2Yxy ;

ду2 дх2 дху ' • закон Гука для нестисливих та малостисливих матерi-

(3)

алгв

-^Р + PW (x у);

E

E-

Sy +^ +PyW(x,y)

E

Ey

(4)

Yxy _

G

xy

• граничш умови

ах = 0 для х = ±R ; (гу = 0 для у = ±а ; (5)

тху = 0 для х = ±Я та у = ±а ;

• критерп мiцностi Гольденблата-Копнова та £.К. Ашке-назi вiдповiдно

ПххРх + ПууЯу +^ Пхххх&х2 + ПууууСТу2 + Пххуу<?х&у + 4Пхухутху = 1 ; (6)

Лсх^х + ^уу^.22 + 2Аххуу&хТу + 4АхухУТ2У = V^х2 + + + тгу ; (7) де: Ех, Еу - модут пружностц Оху - модуль зсуву; ^ху , ^ут - коефщенти Пуассона; вх , ву - коефщенти усадки; W - функщя розподшу вщносно! вологост пи-ломатер1алу за його товщиною; ех , еу - головш компо-ненти тензора деформацш; тху , ^ - напруження та де-формащя зсуву вщповщно; Пхх, Пу

Пх

Пу

Пххуу 5 Пхуху та 4с

А А А А

4УУ ' Аххсх> 4УУУУ ' 4схуу :

4хуху - компо-

нента тензор1в м1цносп; а та R - швширина та швтов-щина дошки; х, у - координати точок поперечного пе-рер1зу дошки вщносно перетину його д1агоналей.

У рамках запропоновано! модел1 з використанням методу Р1тца вперше отримано формули для визначен-ня граничних значень компонент1в тензора напружень та допустимих перепащв вологи у пиломатер1алах з па-рабол1чним та косинусо!дальними розподшами вологи, виготовлених з деревини хвойних та листяних порщ. • для дошок з деревини хвойних порщ та параболiчним розподшом вологи: . Фи

ПххФх + ПууФу + J ПхххФХ + ПууууфУ + ПххууФхФу + 4ПхухуФ1у

,(8)

AWdon _ ву_1( ПххФх + ПууФу + If (ФхФуФху))-1 ; (9)

• для дошок з деревини листяних порвд та парабол1чним розподшом вологи:

* _ Фу^Фх2 + Ф2 + ФхФу + Фху .

ДоФх2 + АууФ2 + 2АххууФхФу + 4АхухуФ^ '

AWdan _

jФх + Фу2 + ФхФу + ФХу

ву (АххФх + АууФ2 + 2АххууФхФу + 4АхухуФху)

(10) , (11)

-'у i ^хх^х ^ ^уу^у ^ х^у

• для дошок з деревини хвойних пор1д та косинусо!даль-ним розпод1лом вологи:

Фг

,-ч, (12)

ПххФхр + ПууФур + fp (Ф

хр; Фур; Фхур )

AWdo„p (Fo) _ ву-1 (ПххФхр + ПууФур +fp (ФхрФурФхур ))-1 , (13) • для пиломатер1ал1в з деревини листяних порщ:

Фур^р + Ф2р + ФхрФур + Ф

2

хур

АххФхр + АууФур + 2АххууФхрФ ур + 4АхухуФхур

AWdonp (Fo) _

+ф2р+ФхрФур + ФХу1

в у (АФ + АууФ^р + 2АххууФхрФур + ^-АхухуФхур)

(14)

,(15)

де

Фх = -2{2(3у2 - а2)(£1 + 2В2х2) + Б3 (15у4 - 12а2у2 + а4)}(х2 -R2)2 ; Фу = -2{2(3х2 - R2)(Д + 20зу2) + (15х4 - 12Л2х2 + R4)}(у2 - а2 )2 ;(16) Фху = 8{2Дх(х2 - R2)(у2 - а2) + Б2ху (3х4 - 4R2x2 + R4)(у2 - а2) +

+Б3ху(3у4 - 4а2у2 + а4)(х2 -R2)} , де Би - величини, залежн1 в1д ф1зико-механ1чних характеристик та геометричних розм1р1в дослщжуваного матер1алу.

Функцiональна схема системи контролю. На основ! математично! модел1 (2) - (7) та умови (1) розроб-лено: а) функцюнальну схему та алгоритм роботи системи контролю р1зниц1 поточних та допустимих значень перепащв вологи у пиломатер1алах з1 зм1нним во-логовм1стом; б) програмне забезпечення для розрахун-ку допустимого перепаду вологи.

Розроблена функцюнальна схема системи контролю складасться з аналогово! та цифрово! частин (рис. 1). Аналогова частина мютить давач1 вологи ДВ1 та ДВ2, як1 вим1рюють вологовм1ст пиломатер1алу на поверхн1 та в середиш дошки. Також в аналогов1й частит мю-тяться модул 1 узгодження р1вшв 1хн1х сигнал!в.

Рис. 1. Функциональна схема системи для контролю р1знищ поточних та допустимих значень перепад1в вологи у пиломатер1-алах з1 зм1нним вологовм1стом

Сигнали з давач1в вологи надходять до нормуючих перетворювач1в НП1, НП2. Вих1дн1 аналогов! нормова-н1 сигнали перетворюеться у цифровий вигляд за допо-могою аналого-цифрових перетворювач1в АЦП1 { АЦП2, що е складовою ланкою промислового програ-мованого лог1чного контролера (ПЛК). АЦП забезпечу-ють 14-б1тну дискретизащю вх1дних сигнал1в та подачу його за запитом ПЛК на системну шину. Контролер за вбудованим програмним алгоритмом виконуе анал1з от-риманих фактичних перепад1в вологи та пор1вняння !х з допустимими перепадами вологи, яю над1йшли з зов-шшньо! ЕОМ через стандартний 1нтерфейс зв'язку ПЛК. За допомогою панел1 оператора реал1зовано ре-жими в1дображення поточного та рекомендованого допустимого перепащв вологи. Також панель оператора

виступае в ролi дистанцшного пристрою введення да-них як для ПЛК так, i для зовшшньо! ЕОМ. О^м цього, на панелi запрограмовано стандартнi повщом-лення, як1 дають iнформацiю оператору про необхщ-шсть внесення змiн у поточнi налаштування.

Алгоритм роботи системи контролю. На основi формул (2) - (16) та за результатами дослвджень (РоЬе-reiko et а1., 2013; Pobereiko & Flud, 2014) побудовано алгоритм роботи запропоновано! системи контролю рiз-ницi поточних та допустимих перепадiв вологи у пило-матерiалi зi змiнним вологовмiстом. Основними складниками цього алгоритму е: тдпрограма взаемодп iз зов-нiшньою ЕОМ, в якш реалiзовано обрахунок А№доп; пiдпрограма оброблення даних вимiрювань поточного перепаду вологи; iнтерфейс взаемодп iз оператором; блок прийняття ршень про вiдповiднiсть режиму пдро-термiчного оброблення умовi збереження допустимого перепаду вологи у пиломатериалах^

Рис. 2. Алгоритм роботи системи контролю перепадш вологи у пиломатер1ап

Реал1зац1я алгоритму потребуе використання двох р1зних за обчислювальною потужшстю пристро!в - в1д-далено! персонально! ЕОМ для визначення допустимих перепад1в вологи та локального малопотужного мжроп-роцесорного блоку i3 штерфейсом оператора для отри-мання поточних значень перепаду вологи в деревиш.

Мiж цими пристроями потрiбно облаштувати канал зв'язку i3 достатньою завадостiйкiстю i швидкодiею.

Блок-схему алгоритму наведено на рис. 2. Блок 1 вщповвдае за прийом пакету даних, що будуть переда-m до локального мiкропроцесорного блока персональною ЕОМ, яка виконуе обчислення допустимого перепаду вологи ввдповщно до заданих розмiрних та яшс-них параметрiв деревини. Блоки 2 i 3 ввдповщно забез-печують запуск циклу вимiрювань реального перепаду вологи, аналого-цифрове перетворення та оброблення результапв вимiрювань. За допомогою блока 4 вико-нуеться порiвняння обчислених зовшшньою ЕОМ допустимих перепадiв вологи iз поточними значениями, зафжсованими за допомогою системи вимiрювания.

Якщо AWdon (г) > AW (г), виконуеться блок 5 i на дис-

пле! з'являеться поввдомлення, що процес гiдротермiч-ного оброблення проходить в межах норми. Якщо AWdon (г) < AW (г), виконуеться блок 6 i на диспле! з'являеться поввдомлення, що фактичний перепад вологи перевищуе допустимий i необхвдно вносити змши в по-точний режим сушшня. Пiсля виведення поввдомлень на дисплей, система повертаеться в початкове положен-ня, тобто до блоку 1.

Висновки. Запропоновано новий споаб неруйшвно-го контролю рiзницi допустимого та фактичного перепаду вологи у процеа сушшня пиломатерiалiв. Суть цього способу полягае у безперервному вимiрюваннi рiзницi фактичних вологовмiстiв на поверхш та всере-динi матерiалу i в подальшому порiвияннi його з отри-маними теоретичними допустимими перепадами воло-ги. Побудовано функцюнальну схему та алгоритм роботи програмно-апаратного комплексу для контролю рiз-нищ значень поточного допустимого та фактичного пе-репадiв вологи у висушуваних пиломатерiалах.

Перелiк використаних джерел

Bilei, P. V., Sokolovskyi, I. A., & Pavliust, V. M. (2010). Kerivni tekhnichni materialy z tekhnolohii kamernoho sushinnia pylomate-rialiv. Uzhhorod: Karpaty. 138 p. [in Ukrainian], Pobereiko, B. P. Flud, L. O., Honchar, T. M., & Lysyshyn, I. M. (2013). Vyznachennia dopustymykh perepadiv volohy u vysushu-vanykh pylomaterialakh iz vrakhuvanniam mitsnosti derevyny [Definition possible drop of moisture in the drying timber account strength of wood]. Scientific Bulletin of UNFU, 23(16), 332-337. Pobereiko, B. P., & Flud, L. O. (2014). Vplyv heometrychnykh roz-miriv na dopustymyi perepad volohy i rozpodil poliv napruzhen dlia pylomaterialiv khvoinykh porid. [The Influence of Geometrical Dimensions on Permissible Differential Moisture Distribution and Stress Fields for Softwood Lumber]. Scientific Bulletin of UNFU, 24(5), 329-332.

Б. П. Поберейко, Л. О. Флуд, А. А. Мокрицький

Национальный лесотехнический университет Украины, г. Львов, Украина

КОНТРОЛЬ РАЗНИЦЫ ТЕКУЩИХ И ДОПУСТИМЫХ ПЕРЕПАДОВ ВЛАГИ ПО ТОЛЩИНЕ ВЫСУШИВАЕМОГО ПИЛОМАТЕРИАЛА

Изложена актуальность темы и приведена постановка задачи. Для решения поставленной задачи в рамках механики сплошной среды и с использованием критерия прочности Голденблата-Копнова построена новая математическая модель для определения предельных значений компонентов тензора напряжений и допустимого перепада влаги в тангентальных пиломатериалах с параболическим и косинусоидальным распределениями влагосодержания. С помощью метода Ритца найдено решения этой модели в виде аналитических зависимостей допустимых перепадов влаги от физико-механических свойств древесины и геометрических размеров доски. На основе полученных зависимостей предложен новый способ для своевременного выявления допустимых перепадов влаги в высушиваемых пиломатериалах, который заключается в: теоре-

тическом определении предельных абсолютных значений разности относительной влажности пласти и центрального слоя доски с переменным влагосодержанием; экспериментальном измерении фактических значений этой разницы и последующем сравнении теоретических и фактических перепадов влаги в древесине. Для практической реализации этого способа разработана функциональная схема для построения системы контроля допустимых перепадов влаги в пиломатериалах с различными геометрическими размерами и описан алгоритм ее работы.

Ключевые слова: допустимый перепад влаги; текучий перепад влажности; система контроля.

B. P. Pobereyko, L. O. Flud, A. A. Mokrytskyi

Ukrainian National Forestry University, Lviv, Ukraine

MONITORING OF THE DIFFERENCE BETWEEN ACTUAL AND PERMISSIBLE VALUES

OF THE MOISTURE DROP BY DRIED TIMBER THICKNESS

The paper presents the importance of the topic and sets the problem. To solve this problem within the framework of a continuum environment mechanics and using the Holdenblat-Kopnov strength criterion, a new mathematical model was built to determine the maximum values of the stress tensor components and permissible moisture drops in the tangent timber with parabolic and cosine moisture distributions. Ritz method was used to find the solutions to this model in the form of analytical dependences of permissible moisture drops from physical and mechanical properties of wood and geometrical dimensions of the board. Based on the dependences obtained, a new method of timely detection of changes in the permissible moisture drops in dried timber was suggested, implying the theoretical determination of the maximum absolute values of relative moisture differences between the upper and central layers of the board with varying moisture content, experimental measurement of these difference values, and subsequent comparison of theoretical and actual moisture drops in wood. Implementation of the proposed system monitoring of the difference between actual and permissible values of the moisture drop by board thickness, will allow to significantly increase the quality of products during the drying of lumber. Therefore, for the practical realization of the proposed method of timely detection of the limit values of gradients of moisture fields in dried lumber, a functional scheme was developed for constructing a control system for tolerable moisture variations in lumber with different geometric sizes and its operation algorithm was described. The proposed algorithm describes its main components. Also, this article describes the hardware requirements that are required for the correct operation of this algorithm. The implementation of the algorithm requires the use of two different devices' computing power - a remote personal computer to determine tolerable moisture variations and a local low-power microprocessor unit with an operator interface to obtain the current values of the moisture drop in the wood.

Keywords: permissible moisture drop; current moisture drop; monitoring system.