Обоснование использования осины в производстве деревянных клееных конструкций

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Первоначально определяют форму и параметры сердцевинного слоя, производят деление лесоматериала 1 с пораженной сердцевиной 2 на сектора 3 с пораженным сердцевинным слоем 4 в продольном направлении в плоскостях, проходящих через центры пораженного слоя в вершине и комле; сектора 3 делят на части 5 по плоскости образующей, смещая плоскость деления по биссектрисе угла сектора 3, части выпрямляют, прессуют, после сушки части 5 поворачивают относительно друг друга на 180° в вертикальной и горизонтальной плоскостях, сопрягают поверхности обработки и крепят между собой. В полученных частях 5 выполняют соединительные элементы. С целью получения продукции разных размеров по толщине и качеству полученные части 5 сортируют по геометрическим параметрам и качественным характеристикам.

Проведены экспериментальные исследования получения выходной продукции согласно новым технологиям [4, 5, 8]. В ходе гидротермической обработки (сушки) происходит полное выпрямление образцов, 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 радиуса закругления, либо изменяют его незначительно.

Применение рассмотренных способов (на разных стадиях из осуществления) и оборудования для раскроя древесины, пораженной сердцевинной гнилью, позволит рационально использовать данную древесину и добиваться высоких процентов полезного выхода однородной продукции.

Библиографический список

1. Коперин, И.Ф. Исследование низкокачественной древесины и отходов лесозаготовок / И.Ф. Коперин. - М.: Лесная пром-сть, 1970. - 248 с.

2. Способ раскроя низкокачественных круглых лесоматериалов: пат. 2038946 РФ: МКП 6 В27 В 1/00 / А.С. Торопов; патентообладатель А.С. Торопов

- № 4887893/15.

3. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль: пат. 2237573 РФ: МПК 6 В27 В 1/00 / А.С. Торопов, Е.С. Шарапов; патентообладатель МарГТУ - № 2003103664/12.

4. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль: пат. 2252135 РФ: МПК 6 В27 В 1/00 / А.С. Торопов, Е.С. Шарапов, А.В. Конаков, А.М. Махотин; патентообладатель МарГТУ. - № 2004106074/02.

5. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль: пат. 2281198 РФ: МПК 6 В27 В 1/00 / А.С. Торопов, Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин, Е.С. Шарапов; патентообладатель МарГТУ

- № 2005103687/03.

6. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль: пат. 2283218 РФ: МПК 6 В27 В 1/00 / А.С. Торопов, Е.С. Шарапов, А.С. Шарапов, Д.В. Павлов; патентообладатель МарГТУ. - № 2004139154/02.

7. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль: пат. 2304040 РФ: МПК 6 В27 В 1/00 / А.С. Торопов, Е.С. Шарапов, И.Р. Фатыхов, Ф.Ф. Саляхутдинов; патентообладатель МарГТУ. - № 2006101070/03.

8. Способ раскроя круглых лесоматериалов, имеющих сердцевинную гниль: пат. 2301145 РФ: МПК 6 В27 В 1/00 / А.С. Торопов, Е.С. Шарапов, В.Л. Хур-тин, А.В. Конаков, А.С. Шарапов, А.В. Пукемов; патентообладатель МарГТУ - № 2005117892/03.

9. Holzschindeln, holsdachrinnen (enzeugung-handle), 2007 [Электронный ресурс] / Beyer-Holzschindel GmbH. - http://www.holzschindel.at

10. Gebrauchtmaschinenliste, anlage zur herstellung von holzdachrinnen, 2007 [Электронный ресурс] / http:// www.pilch.at/Liste.htm#Stapler

ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСИНЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕРЕВЯННЫХ КЛЕЕНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ТВ. ШЕРЕМЕТЬЕВА, асп. каф. механической технологии древесины КГТУ,

А.А. ТИТУНИН, доц. каф. механической технологии древесины КГТУ, канд. техн. наук

Особенностью современного состояния лесного фонда в зоне действия большинства предприятий российского лесопромышленного комплекса является изменение качественного состава ресурсного потенциа-

titkstr@kmtn.ru

ла вблизи существующей транспортной сети, а именно: увеличение запасов мягколиственной древесины с невысокими потребительскими свойствами, в т.ч. осины. Осина - одна из очень производительных и при этом весь-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2008

63

ДЕРЕВООБРАБОТКА

ма мало востребованных древесных пород. Обширный ареал, успешное возобновление естественным путем, быстрый рост - с одной стороны, незначительное промышленное потребление - с другой стороны, обуславливают проблему использования осиновой древесины. Анализ этой ситуации с позиций системного подхода, а также теоретические исследования [1, 2] позволили обосновать возможность использования осины в производстве деталей для деревянного домостроения. Выбор данного направления обусловлен размерно-качественными характеристиками осиновых древостоев и пиловочного сырья (табл. 1 и 2, рис. 1).

Как следует из представленных данных, при переработке пиловочника неизбежно образование большой доли короткомерных пиломатериалов и отрезков, которые после склеивания по длине могут быть использованы для получения плинтуса, обналички, а также в производстве клееных конструкций. Такое использование осинового пиловочного сырья соответствует программным мероприятиям в части реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России».

Руководствами по производству многослойных клееных элементов смешение разных пород древесины не рекомендуется, поскольку из-за разницы коэффициентов усушки и разбухания может произойти разрушение клеевых швов. Однако, проведя сравнительный анализ показателей физикомеханических свойств (табл. 3), мы выдвинули предположение, что при соблюдении некоторых условий и использовании методов модификации древесины, клееные конструкции, содержащие наряду с хвойными ламелями осиновые, будут удовлетворять условиям прочности и долговечности.

Для проверки этого предположения были проведены необходимые исследования. Как известно, напряженное состояние в натуральных конструкциях значительно сложнее, чем используемые для оценки прочности клеевых соединений схемы испытаний. Тем не менее, они позволяют еще на

Т а б л и ц а 1

Выход пиловочного сырья из осиновых хлыстов, %

Ступень толщины, см Класс товарности д эевостоев

II III в среднем

20 21,12 14,08 17,6

22 23,43 15,62 19,5

24 23,76 15,84 19,8

26 24,09 16,06 20,08

28 26,07 17,38 21,73

30 24,96 16,38 18,02

32 22,94 14,06 18,5

34 18,28 10,56 14,42

36 16,15 9,44 12,98

Т а б л и ц а 2

Сортовой состав пиломатериалов, %

Диаметр сырья, см Сорт пиловочных бревен Сорт пиломатериалов

1 2 3

14-24 26,1 15,2 6,5 1

37,2 41,9 30,25 2

34,8 41,1 60,4 3

26-32 19,1 7,2 2,9 1

33,5 26,1 18,2 2

44,1 61,1 75,1 3

% 50

40

30

20

10

20, 8

4

1 2

47,4

от 14 до 24 см

3,3

JZL

8,5

16

26 см и более

0

Рис. 1. Структура сортового состава, % осинового пиловочного сырья в зависимости от диаметра бревен

При обосновании возможности использования при склеивании древесины разных пород был выполнен расчет максимальных касательного и нормального напряжений в клеевом шве, соответствующих напряжен-

этапе проектирования оценить ожидаемый результат.

ному состоянию сдвига и отрыва в натуральных конструкциях.

64

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Таблица 3

Средние показатели основных физико-механических свойств древесины

Порода Плотность, кг/м3 Коэффициент разбухания, % на % влажности Предел прочности, МПа Модуль упругости при изгибе, ГПа

радиаль- ного танген- циаль- ного объем- ного при стати- ческом изгибе при сжатии вдоль волокон при растяжении вдоль волокон при скалывании вдоль волокон по плоскости

радиаль- ной тангенци- альной

Сосна 505 0,18 0,31 0,51 84,5 46,3 102 7,44 7,23 12,2

Ель 445 0,17 0,31 0,5 78,6 45,0 101 6,83 6,72 9,6

Осина 495 0,15 0,3 0,47 76,5 43,1 121 6,15 8,42 11,2

Максимальное касательное напряжение в клеевом шве т , МПа при скалывании

max’ г

определялось как

т = та l

где тср - средняя прочность при скалывании вдоль волокон, МПа;

a - коэффициент, учитывающий прочностные свойства клея и склеиваемых материалов, см-1;

l - длина клеевого шва, м.

а1 2 =

где G3 - модуль сдвига клея, МПа;

Е Е2 - модули упругости склеиваемых материалов, МПа;

h h2 - толщины склеиваемых материалов, м;

h3 - толщина клеевого шва, м.

Нормальные напряжения в клеевом шве omax, МПа при раскалывании определяются по формуле

о = 2Q0a ,

где Q0 - разрушающая нагрузка, Н;

ан - коэффициент, учитывающий прочностные свойства клея и склеиваемых материалов, см-1;

1 8E3 а = - 4—3. н 2\h3 D

где Е3 - модуль упругости клея, МПа; h3 - толщина клеевого шва, м;

D - цилиндрическая жесткость;

D = Eh3 / 12

где Е - модуль упругости древесины, МПа; h - толщина древесины, м; ц - коэффициент Пуассона для древесины, МПа.

Результаты расчетов показали, что прочность клеевого шва в конструкциях,

склеенных из сосны и осины, больше, чем пределы прочности этих пород. Конечно же различие упругих и прочностных характеристик древесины разных пород, входящих в состав композиционного сечения, будет оказывать влияние на напряженное состояние в клеевом шве. Поэтому можно рекомендовать применение конструкций, склеенных из древесины разных пород, в сооружениях с нормальными условиями эксплуатации. При эксплуатации таких конструкций в более жестких условиях необходимо учитывать наличие дополнительных напряжений, в частности возникающих при изменении влажности.

Для проверки теоретических положений были проведены сравнительные исследования качества конструкций, склеенных из сосны (тип 1) и комбинированных - из сосны и осины (тип 2). Проводились испытания образцов на скалывание вдоль волокон, расслаивание клеевых швов и раскалывание. Образцы для испытаний изготавливались согласно общепринятым правилам. Сырьем служили осиновые и сосновые бруски, которые склеивали меламино-мочевиноформальдегидным клеем Каскомин 1242 с отвердителем 2542. Удельный расход клея составлял 0,40 кг/м2 при одностороннем нанесении и 0,24 кг/м2 на каждую сторону при двустороннем нанесении, давление запрессовки образцов во всех случаях принимали 1 МПа, время доотверждения 5 дней. Заготовки склеивали по двум схемам (рис. 2).

Варьируемыми факторами являлись: схема склеивания образцов и способ нанесения клея. Результаты эксперимента представлены в табл. 4.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

65

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Таблица 4

Физико-механические показатели двух типов конструкций клееной древесины

Варьируемые факторы Среднее значение показателя

Схема склеивания образцов Нанесение клея Предел прочности при скалывании вдоль волокон, МПа Расслаивание клеевых швов, % Предел прочности при скалывании, МПа

а Одностороннее 6,23 / 4,03 2,67 / 4,67 2,77 / 2,43

б 5,60 / 3,13 4,33 / 7,00 3,93 / 3,33

а Двустороннее 8,10 / 6,00 0,33 / 0,67 4,37 / 4,50

б 6,87 / 4,50 1,67 / 4,00 5,27 / 5,17

Таблица 5

Результаты эксперимента по плану ПФП 2

№ опыта Толщина сосновых заготовок X1, мм Толщина осиновых заготовок X, мм Ширина заготовок X3, мм Среднее значение физико-механических показателей

предел прочности при скалывании вдоль волокон Y,, МПа расслаивание клеевых швов Y2, %

1 50 50 150 5,44 4,10

2 26 50 150 8,02 2,82

3 50 26 150 6,84 3,49

4 26 26 150 9 2,11

5 50 50 100 6,2 3,82

6 26 50 100 8,48 2,5

7 50 26 100 7,46 3,2

8 26 26 100 9,38 1,83

Рис. 2. Схемы склеивания образцов с расположением годичных колец: а - сердцевиной наружу; б - сердцевиной вовнутрь

Анализ полученных данных показал, что предел прочностных характеристик и стойкость к расслаиванию образцов, склеенных из сосны и осины, ниже, чем только из сосны, но при двустороннем нанесении клея его показатели соответствуют нормативным требованиям [3].

Как известно, несущая способность конструкций комбинированного сечения зависит от соотношения размеров высоты сечения наружных и средних зон [4]. Поэтому возможным способом устранения разницы

коэффициентов усушки и разбухания осины и сосны является уменьшение толщины склеиваемых слоев. Рациональный подбор толщины слоев для данных пород позволит эффективно использовать сырьевые ресурсы древесины без снижения прочности деревянных клееных конструкций. Поэтому были проведены испытания на прочность при скалывании вдоль волокон и на стойкость к расслаиванию комбинированных конструкций, склеенных из сосны и осины. Варьируемыми факторами являлись толщина и ширина заготовок. По результатам прошлого опыта был выбран односторонний способ нанесения клея и схема склеивания заготовок сердцевиной наружу. Остальные факторы остались неизменными. Результаты эксперимента представлены в табл. 5.

После обработки экспериментальных данных были получены регрессионные модели прочности на скалывание и расслаивание в кодированных обозначениях

Y = 7,603 - 1,118X1 - 0,568X2 - 0,278X3;

66

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008