CC BY
50
ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ ПРОЦЕССА СУШКИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
Соколовский Я.И., Дендюк М.В. (НЛТУ Украины, г. Львов, Украина)
Influence of geometrical dimensions of saw-timbers, temperature, humidity and rate of movement of agent of drying and physico-mechanical properties of wood of pine, birch and oak is considered on development of moist and tensely-deformed fields during hydrothermal treatment of saw-timbers.
Напряжения в процессе сушки пиломатериалов возникают за счет неравномерного распределения влаги и существенно влияют на качество конечной продукции. Проведенные ранее исследования полей влагосодержания в высушиваемой древесине методом конечных элементов [1, 2] получили дальнейшее развитие в [3, 4], а созданное программное обеспечение дает возможность смоделировать и выявить влияние основных факторов процесса сушки пиломатериалов на развитие как влажностного, так и напряженно-деформированного состояния (НДС).
Для проведения числового эксперимента определения влияния геометрических размеров на НДС взято пиломатериалы древесины сосны с соотношением толщины к ширине 1:1, 1:2 и 2:1 при мягком режиме [5]. При этом равновесную влажность Wp, коэффициенты влагообмена ßx = ßy и влагопроводности ax ф ay определим с [5], а коэффициенты усушки с [6]. Значения параметров ядер релаксации и модулей упругости вычисляем на основании [7].
В точках на поверхности вследствие быстрого удаления влаги с поверхностных слоев возникают растягивающие напряжения axx и ayy, которые еще в нерегулярном периоде начинают спадать. Величина напряжений axx отличается от величины ayy для соотношения толщины b к ширине а пиломатериала b/a = 1 только за счет анизотропии свойств (рис. 1).
С уменьшением соотношения b/a от 1 до 0,5 напряжения axx на поверхности возрастают приблизительно на 20%, а ayy - уменьшаются соответственно на 20%. С увеличением соотношения b/a от 1 до 2 напряжения axx на поверхности спадают приблизительно на 20%, а ayy - возрастают на 20%. Дальнейшее увеличение соотношения приведет к возникновению напряжений, которые превышают соответственные напряжения для b/a = 1. Таким образом, наименьшие за величиной напряжения на поверхности будут для материалов с соотношением ширины к толщине b/a от 0,5 до 1.
Напряжения, которые возникают вследствие быстрого высушивания поверхностных слоев, концентрации влаги возле поверхности и практически неизменных внутренних слоев, имеют сложный характер: возле поверхности они растягивающие, а внутри - сжимающие (рис. 2). С течением времени сушки отрицательные напряжения возле поверхности медленно уменьшаются, а распределение влаги принимает вид параболы или косинусоиды [8].
охх, I а 8Е+06
6Е+06 4Е+06 2Е+06 0Е+00 -2Е+06 -4Е+06 -6Е+06
оуу, I а
х, ^ап
10 15 20 25
а
30
8Е+06 6Е+06 4Е+06 2Е+06 0Е+00 -2Е+06 -4Е+06 -6Е+06
х, ^ап
б
Рисунок 1- Динамика напряжений охх (а) и оуу (б) пиломатериала древесины сосны размером 25x25 мм в различных точках [4]
о хх-1 а
6Е+06
4Е+06
2Е+06
0Е+00
-2Е+06
-4Е+06
-2 -ап
---5 -ап
10 -ап 30 -ап
оуу, I а
а, I I
8Е+06 6Е+06 4Е+06 2Е+06 0Е+00 -2Е+06 -4Е+06 -6Е+06
-2 -ап
---5 -ап
......10 -ап
—— - 30 -ап
-//- / --
к,___. .____д
чГ*
V
а, I
10 15 20 25
10
15
20
25
а б
Рисунок 2- Распределение напряжений охх (а) и оуу (б) вдоль ширины по центру толщины пиломатериала древесины сосны размером 25x25 мм в разные моменты времени
Таким образом, вначале процесса сушки поверхностные слои поддаются растягивающим напряжениям, а внутренние слои - сжимающим. Если пиломатериал условно разделить на части [5], распределение напряжений приведет к изгибу этих частей. В конце процесса сушки усадка на поверхности буде меньше, чем усадка внутри сортимента, то есть сжимающие напряжения возле поверхности и растягивающие внутри приведут к изгибу этих пластин в другую сторону, что подтверждает адекватность модели.
Напряжения сдвига оху, которые возникают в объеме материала, на порядок меньшие за величиной от нормальных напряжений охх и оуу и сконцентрированы возле углов пиломатериала в начале процесса сушки (рис. 3). По истечении процесса сушки оху практически отсутствуют для Ь/а = 1 и на два порядка меньше от охх и оуу для других соотношений Ь/а. Надо отметить, что концентрация напряжений сдвига оху наблюдается на расстоянии также 10 % от по-
0
5
0
5
0
5
верхности, то есть, как и для нормальных напряжений, причиной их возникно-
а б
Рисунок 3- Распределение напряжений аху вдоль ширины по центру толщины пиломатериала древесины сосны размером 25x25 мм (а) и 25x50 мм (б) в разные моменты времени
С целью выявления влияния параметров агента сушки на развитие НДС высушиваемых материалов изменим относительно указанного выше режима температуру в на ±10 оС, относительную влажность на ±10 % и скорость движения агента сушки до 6 м/с.
В начале процесса сушки изменение температуры не влияет на влажност-ные поля внутри материала, а на поверхности отличается на величину, пропорциональную изменению равновесной влажности (рис. 4). С течением времени сушки за счет изменения коэффициентов влагопроводности и влагообмена в центре наблюдается увеличение разницы влажности.
5,Е+06 4,Е+06 3,Е+06 2,Е+06 1,Е+06 0,Е+00 -1,Е+06
3
х, -ап
6,Е+06 5,Е+06 4,Е+06 3,Е+06 2,Е+06 1,Е+06 0,Е+00 -1,Е+06
Оуу, 1 а 1
— — 2
- - 3
I *~
1 Ч
I
х, час
10
15
20
25
30
10
15
20
25
30
а б
Рисунок 4- Влияние температуры агента сушки в центре пиломатериала древесины сосны размером 25^50 мм на динамику напряжений ахх (а) и ауу (б), где: 1 - температура по нормативным документам; 2 - пониженная температура на 10 оС; 3 - повышенная температура на 10 оС
0
5
0
5
При повышенной температуре удаление влаги происходит быстрее и, соответственно, быстрее достигается значения 20% влажности материала, при котором происходит переход к следующей ступени технологического режима и изменению параметров агента сушки.
В регулярном периоде удаления влаги повышенный температурный режим приводит как к быстрейшему удалению влаги, так и к быстрейшему уменьшению напряжений. Уменьшение температуры увеличивает время технологического процесса сушки.
В начале процесса сушки изменение относительной влажности агента сушки не влияет на влажность внутри материала, а на поверхности - отличается на величину изменения равновесной влажности (рис. 5). С течением времени на поверхности пиломатериала влажность выравнивается к равновесной, а в центре - начинает спадать. При пониженной относительной влажности агента сушки переход к следующей ступени технологического режима будет быстрее,
а б
Рисунок 5- Влияние относительной влажности агента сушки на динамику напряжений ахх (а) и ауу (б) в центре пиломатериала древесины сосны размером 25^50 мм, где относительная влажность: 1 - по нормативным документам; 2 -пониженная на 10 %; 3 - повышенная на 10 %
С полученных зависимостей следует, что при уменьшении относительной влажности агента сушки градиент влажности между поверхностью и центром будет большим, и, следовательно, величина напряжений во всем объеме материала будет возрастать. При увеличении относительной влажности агента - величина напряжений соответственно будет спадать. Кроме того, при уменьшении относительной влажности агента сушки достигается быстрее значение влажности материала, при котором происходит переход к следующей ступени технологического режима и, наоборот, при увеличении - к позднейшему переходу. Чем позднее интенсифицируется технологический режим, тем изменение напряжений при переходе к следующей ступени технологического режима буде большим, а их максимальная величина - меньшей за соответствующие напряжения при этой же влажности материала для других значений относительной влажности агента сушки.
Скорость движения агента сушки (у) влияет на коэффициенты влагообме-на, поэтому удаление влаги при повышенной циркуляции на поверхности будет быстрее, чем в объеме материала, где коэффициенты влагопроводности не зависят от у. С течением времени сушки при повышении скорости движения агента в центре материала наблюдается также ускоренное удаление влаги (рис. 6) за счет увеличения градиента влаги между поверхностью и внутренними
точками пиломатериала. Таким образом, увеличение скорости движения агента укорачивает продолжительность технологического процесса, но при этом величина напряжений возрастает (рис. 6).
I а
5Е+06 4Е+06 3Е+06 2Е+06 1Е+06 0Е+00 -1Е+06 -2Е+06
Стхх, 1 а
т, час
0Е+00 -1Е+06 -2Е+06 -3Е+06 -4Е+06 -5Е+06 -6Е+06
-1-1-1-1- --
^„ —- —*
Х-
т, час
0
5
10 15
а
20 25 30
0 5 10
25 30
15 20
б
Рисунок 6 - Влияние скорости движения агента на динамику напряжений ахх в центре (а) и на поверхности (б) пиломатериала древесины сосны размером 25^50 мм, где скорость движения: 1 - по нормативным документам; 2 - повышенная до 6 м/с
Свойства древесины сильно отличаются в пределах породы, а тем более между породами [8]. Поэтому рассмотрим развитие влажностного и напряжено-деформационного состояний, которые зависят от физико-механических свойств древесины сосны, березы и дуба. Параметры технологического процесса для каждой породы взято с [5].
Характер удаления влаги с поверхностных слоев для всех пород одинаковый, а значением отличается за счет различных режимов для каждой породы, на основании которых определяется равновесная влажность. В центре материала за счет как различных режимов, так и коэффициентов влагопроводности, удаление влаги происходит пропорционально плотности материала: чем больше плотность, тем меньший коэффициент влагопроводности и тем медленнее происходит процесс влагопереноса.
Развитие напряжений для избранных пород подобное за характером - в нерегулярном периоде удаления влаги напряжения стремительно возрастают и при достижении критерием Фурье значения 0,1 начинают спадать (рис. 7). При переходе к следующей ступени технологического процесса изменение параметров агента вызывает кратковременное возрастание напряжений. Для пиломатериалов древесины дуба переход к следующей ступени на графиках не отображено, так как значения переходной влажности достигается позднее.
Анализ графических зависимостей динамики напряжений в зависимости от породы древесины показывает, что для древесины сосны величина нормальных тангенциальных ахх и радиальных ауу напряжений на поверхности есть большей за соответствующие напряжения в центре, для древесины березы эти напряжения приблизительно одинаковые, а для древесины дуба - величина напряжений в центре превышает соответствующие напряжения на поверхности. Таким образом, наиболее вероятное возникновение опасных напряжений, кото-
рые снижают качество высушиваемого материала, для древесины сосны есть на поверхности, для древесины березы - как на поверхности, так и внутри, а для древесины дуба - в объеме пиломатериала.
а б
Рисунок 7- Влияние физико-механических параметров древесины на динамику напряжений ахх в центре (а) и на поверхности (б) пиломатериала размером 25x50 мм, где: 1 - сосна; 2 - береза; 3 - дуб
Литература
1. Соколовський Я.1., Поберейко Б.П., Дендюк М.В. Застосування методу кшцевих елеменпв для розрахунку нестацюнарних полiв вологоперенесення у висушуванш деревиш// Люове госп-во, люова, паперова i д/о пром-сть: Зб. наук.-техн. праць. - Львiв: УкрДЛТУ. -2003, вип. 28. - С.100-106
2. Соколовский Я.И., Поберейко Б.П., Дендюк М.В, Кулешнык Я.Ф. Численное моделирование методом конечных элементов полей влажности древесины с учетом анизотропии ее свойств// Лесной комплекс: состояние и перспективы развития. Сб. научн. трудов.
- Брянск:БГИТА. - 2003, вып. 6. - С. 71-75.
3. Соколовський Я.1., Бакалець А. Моделювання нелшшних тепломасообмшних процеав у висушуванш деревиш методом скшченних елеменпв// Вюник НУ „ЛП": Комп'ютерш науки та шформацшш технологи. - Львiв: НУ „Львiвська пол^ехшка". - 2005, вип. 543. - С. 129134.
4. Соколовський Я.1., Поберейко Б.П., Дендюк М.В. Моделювання деформацшно-релак-сацшних процеав у деревиш тд час сушшня// Наук. вюник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць.
- Львiв: УкрДЛТУ. - 2004, вип. 14.1. - С.48-57.
5. Серговский П.С., Рассев А.И. Гидротермическая обработка и консервирование древесины: Учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Лесн. пром-сть, 1987. - 360 с.
6. Серговский П.С. Гидротермическая обработка древесины. - М.: Гослесбумиздат, 1975. -400 с.
7. Дендюк М.В. Визначення реолопчних параметрiв деревини// Наук. вюник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. - Львiв: УкрДЛТУ. - 2005, вип. 15.3. - С.124-129.
8. Билей П.В. Сушка древесины твердых лиственных пород. Изд. второе. - М.: Экология, 2002. - 224 с.
9. Дендюк М.В., Соколовський Я.1. Вплив геометричних розмiрiв пиломатерiалiв на напружено-деформiвний стан у процес !х сушшня// Наук. вюник НЛТУУ: Зб. наук.-техн. праць. - Львiв: НЛТУ Украши. - 2006, вип. 16.2. - С.125-133.
