Остаточные деформации в древесине

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

бенности технологии изготовления шпона, древесная порода оказывают влияние на показатели эффекта памяти древесины. Сложность строения, химического состава, анизотропия, природная вариативность свойств древесины доставляют определенные трудности в объективной оценке эффекта памяти древесины различных пород. Предложенный метод позволяет количественно оценить способность древесины восстанавливать постоянную форму и фиксировать временную форму образца.

Библиографический список

1. Горбачева, Г.А. Деформационные превращения древесины при изменении нагрузки, влажности и температуры: дисс. ... канд. техн. наук / Г.А. Горбачева. - М.: МГУЛ. -2004. - 198 с.

2. Каюмов, Р.А. Прогнозирование деформации во времени полимерных материалов с памятью формы при различной температуре / Р.А. Каюмов, Д.Е. Страхов // Известия КазГАСУ - 2011. -№ 2 (16).

- С. 196-199.

3. Полимер с памятью в четыре формы http:// www. nature .com/nature/joumal/v464/n7286/full/ nature08863.html

4. Уголев, Б.Н. Метод исследования реологических свойств древесины при переменной влажности / Б.Н. Уголев. - М.: Заводская лаборатория, 1961.

- 27(2). - С. 199-203.

5. Уголев, Б.Н. Наноструктурные изменения древесины как природного «умного» материала. Нанотехнологии и наноматериалы в лесном комплексе: монография / Б.Н. Уголев. - М.: МГУЛ, 2011. -С. 52-73.

6. Уголев, Б.Н. Визуализация эффекта памяти древесины в шпоне / Б.Н. Уголев, Г.А. Горбачева, С.Ю. Белковский // Сб. науч. тр. МГУЛ. - Вып. 353 Тех-

нология и оборудование для переработки древесины. - М.: МГУЛ, 2011. - С. 226-232.

7. Уголев, Б.Н. Параметры эффекта памяти древесины / Б.Н. Уголев, Г.А. Горбачева, С.Ю. Белковский // Сб. науч. тр. МГУЛ. - Вып. 358 Технология и оборудование для переработки древесины. - М.: МГУЛ, 2012. - С. 9-13.

8. Уголев, Б.Н. Контроль напряжений при сушке древесины / Б.Н. Уголев, Ю.Г. Лапшин, Е.В. Кротов.

- М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 208 с.

9. Скуратов, Н.В. Анализ методов контроля качества сушки пиломатериалов/ Н.В. Скуратов, А.В. Протасова // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - № 3.

- 2012. - С. 96-99.

10. Hiltz J. A.. Shape Memory Polymers. Literature Review. Technical Memorandum DRDC Atlantic TM 2002-127 August 2002.

11. Lendlein A., Kelch S. Shape-Memory Polymers. Reviews. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2034

- 2057.

12. Schuh C., Schuh K., Lechmann M. C., L. Garnier, Kraft А. Shape-Memory Properties of Segmented Polymers Containing Aramid Hard Segments and Polycaprolactone Soft Segments. Polymers 2010, 2, 71-85; doi:10.3390/polym2020071

13. Ugolev B.N. Academy lecture «Wood as natural smart material», http://www.iaws-web.org/files/file/2009-SaintPetersburg_academy_lecture_ugolev.pdf

14. Ugolev B.N. Effect of «freezing» wood deformations at complex force and heat actions. Proc. of 2nd Int. Symposium on wood rheology, Rydzina, Poland, 1986 - p. 5 - 14.

15. Ugolev B.N. General laws of wood deformation and rheological properties of hardwood//Wood Science and Technology. - 1976. - vol. 10(3). - P. 169-181.

16. Ugolev B.N., Galkin V.P., Gorbacheva G.A., Kalinina A.A. Frozen shrinkage of wood. Proc. IUFRO -TUZVO «Wood Structure and Properties’10», Zvolen, Slovakia, 2010. - р. 73-77.

ОСТАТОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ В ДРЕВЕСИНЕ

Е.М. ТЮЛЕНЕВА, доц. каф. технологии и оборудования лесозаготовок СибГТУ, канд.техн.наук

evgeniamixail@mail.ru

Изучение и накопление знаний о реологических показателях имеет важное значение для проектной оценки эксплуатационных характеристик деревянных конструкционных элементов, прессовании и размоле древесины, целлюлозно-бумажной промышленности для дальнейшего развития теории резания с целью более рационального использования древесины.

Задачей наших исследований является уточнение реологической модели и нахождение реологических коэффициентов древесины при сжатии ее поперек волокон в радиальном направлении. С этой целью на определенном этапе исследований в качестве экспериментальной модели рассматривалось тело Бюргерса (рис. 1), что подразумевало присутствие в древесине упругой, эластической и вязкой деформаций.

70

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

Рис. 1. Модель тела Бюргерса и зависимость деформации древесины от времени действия нагрузки: Е1 - модуль упругости первого рода, Е2 - модуль упругости второго рода; п2 - коэффициент эластичности; п - коэффициент вязкости

При нагружении такого тела упругая деформация возникает мгновенно, а эластическая и вязкая - с течением времени. После снятия нагрузки мгновенно восстанавливается упругая деформация, эластическая - с течением времени, вязкая же остается в теле навсегда.

Многочисленные эксперименты, проведенные на образцах древесины, показали:

- при нагружении образцов помимо упругой возникают значительные мгновенные необратимые деформации, которые не исчезают после снятия нагрузки и длительной выдержки;

- наблюдается гистерезис эластических деформаций - после разгрузки образца убывание эластических деформаций протекает более медленным путем, чем нарастание;

- развитие деформаций во времени останавливается при 100-110 часах, в то время как для вязкости характерен неограниченный рост деформаций. Поэтому модель тела Бюргерса не может быть применена к древесине - элемент Ньютона явно не вписывается в реальность и должен быть заменен каким-то другим.

Те реологические модели, которые применяются в настоящий момент к древесине (упруго-эластическое тело, упруго-вязкое и др.) включают только два простых элемен-

та - это модель тела Гука и модель Ньютоновской жидкости. Модель Сен-Венана (описывает свойство пластичности) при создании реологических моделей не используется, хотя авторы иногда говорят о пластических деформациях, которые отождествляют с вязкими деформациями.

Пластичностью называется способность материала принимать под действием силы определенную форму без каких-либо разрушений и эту форму удерживать по прекращении действия нагрузки.

Прежде чем утверждать, что остаточные деформации древесины есть не что иное, как пластичность, необходимо обозначить характерные особенности, отличающее пластичность от других видов деформаций и проанализировать, насколько они соответствуют процессам, происходящим в древесине в области остаточных деформаций.

1. Пластические деформации, возникающие в материале при воздействии на него внешних сил, проявляются при достижении предела ползучести. Материал, нагружаемый силой вплоть до предела ползучести, упруго деформируется и практически мгновенно восстанавливает форму после снятия нагрузки.

Однако, по данным А.В. Александрова [1], образование пластической деформации в отдельных частицах материала происходит

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

71

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

уже в начальной (упругой) стадии испытания. Эти деформации настолько малы, что не обнаруживаются обычными приборами. С увеличением нагрузки пластическая деформация начинает накапливаться, охватывая макрообъемы вещества, вследствие чего под микроскопом наблюдаются необратимые сдвиги, происходящие в слоях больше подвергшихся действию напряжений.

При кратковременных нагрузках до величины, соответствующей пределу ползучести, Л.М. Перелыгин и другие авторы отмечают, что у древесины наблюдается близкая к линейной зависимость между напряжениями и деформациями. То есть уже с самого начала эксперимента видны отклонения от упругого деформирования. Поэтому можно предположить, что в древесине, одновременно с упругой, происходит образование пластической деформации.

2. Р.Д. Степанов говорит «Пластическая деформация наблюдается в том случае, когда предел ползучести твердого тела ниже предела его «хрупкой» прочности». Иными словами, пластичность определяет начало необратимых изменений в материале, до предела ползучести или «хрупкой» прочности, за которым происходит разрушение материала.

Древесина состоит из многочисленных клеток разной прочности. Так как величина нагрузки в наших опытах близка к пределу разрушения материала, то древесина может содержать частичное разрушение отдельных более слабых клеток, преимущественно ранней зоны, что обусловлено превышением их предела ползучести. И, следовательно, по определению, это разрушение не может входить в состав пластических деформаций.

Здесь уместно воспользоваться гипотезой, исходящей из представления о некотором идеальном строении древесины и присвоения ей свойства анизотропии. Хотя клетки древесины имеют различную прочность, в пределах одной плоскости, включающей большое количество клеток, древесина обладает одинаковыми свойствами в смысле среднестатистического эффекта, создаваемого деформацией отдельных клеток. Так, например, испытания на предел прочности древесины

проводят до видимого разрушения материала, хотя известно, что частичное разрушение происходит уже в начальной стадии нагружения. На наш взгляд, процессы, происходящие в древесине в области остаточных деформаций до появления видимого невооруженным глазом разрушения, могут считаться пластическим деформированием.

3. Известно, что процесс пластического течения не останавливается мгновенно.

В.Д. Кузнецов утверждает, что для некоторых однородных тел, при подаче импульса напряжений, пластическая деформация возрастает с постепенно уменьшающейся до нуля скоростью. Рассматривая древесину как анизотропное тело, можно предположить, что пластическая деформация возникает одновременно с упругой, но в отличие от нее должна развиваться в древесине еще некоторое время.

Однако полученные нами экспериментальные данные не подтвердили развитие мгновенных необратимых деформаций даже по результатам первых суток нахождения образца под нагрузкой. Известно, что равновесное состояние, т.е. периоды релаксации различных полимеров, может измениться в необычайно больших пределах - от десятитысячных долей секунды до нескольких месяцев. В нашем случае напряжение не возрастает со временем, а приложено мгновенно. Поэтому процесс перехода устойчивости от клеток ранней зоны к клеткам поздней происходит за очень маленький промежуток, зафиксировать который с помощью приборов невозможно. Поэтому условно принимаем время обретения устойчивости клетками, способными выдержать заданную нагрузку, за мгновение. А деформацию, возникшую за этот промежуток времени, за мгновенную остаточную деформацию. Хотя необходимо отметить, что в редких случаях разрушение древесины происходило даже на третьи сутки нахождения образцов под нагрузкой, что, скорее всего, происходит за счет роста эластических деформаций.

Рассмотрим элемент сухого трения, с помощью которого описывается пластичность, применительно к древесине. Элемент сухого трения должен находиться в каком-то одном состоянии и при нагрузке должно на-

72

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 2. Модель упруго-пластично-эластического тела

блюдаться либо его упругое деформирование, либо смещение (пластическое течение), или разрушение. Рассмотрим пластичность двух расположенных рядом клеток древесины. При воздействии внешнего усилия ниже предела их прочности они деформируются за счет упругой и эластической деформации (пластическая деформация здесь проявляться не будет). После снятия нагрузки эти клетки полностью восстановятся по форме в течение какого-то промежутка времени. Если же внешнее усилие, воздействующее на эти клетки, будет равно пределу пластичности, но не будет превышать предела их хрупкой прочности, то, кроме упругости и эластичности, деформирующих отдельно каждую клетку, начнется смещение этих клеток друг относительно друга. После снятия нагрузки исчезнет упругая деформация, частично восстановив форму клетки, полностью форму клеткам возвратит эластическая деформация, но в течение довольно длительного промежутка времени, однако смещение этих клеток сохранится навсегда. Если же внешнее усилие превысит предел их «хрупкой» прочности, произойдет разрушение клеток.

В нашем случае одновременно наблюдаются все три состояния из-за наличия в древесине клеток разной прочности. Можно предположить, что в области мгновенных остаточных деформаций реологическая модель древесины должна содержать не один, а несколько элементов сухого трения разной прочности.

В момент приложения нагрузки более слабые ранние слои древесины разрушатся мгновенно, так как величина нагрузки превысит их предел прочности. Часть клеточных стенок смещается, преодолевая силы

внутреннего трения, то есть начинают ползти до предела их разрушения с постепенно замедляющейся скоростью (для древесины это время может составлять от десятичных долей секунды до нескольких месяцев). Величина нагрузки для этих клеток будет равна пределу текучести, но ниже их хрупкой прочности. Более плотные слои поздней зоны годичных слоев при заданной нагрузке будут вести себя упруго, так как величина нагрузки будет ниже их предела текучести и, после снятия нагрузки, полностью восстановятся.

Таким образом, реологическая модель древесины может быть представлена упруго-пластично-эластическим телом [3].

При «мгновенном» нагружении постоянной силой одновременно возникают упругая 8у и пластическая 8п деформации. С течением времени развивается эластическая 8э деформация. После снятия нагрузки мгновенно восстановится упругая деформация. На восстановление эластической деформации требуется гораздо больше времени, чем на ее образование и развитие. Пластическая деформация в условиях заданной влажности и температуры останется неизменной [4].

С учетом принятой реологической модели древесины суммарная деформация древесины от нагрузки составит

а а а

Б —-----1----1--

Е, Е, Е„

ElA

1-е

Л2

где Ег - мгновенный модуль упругости;

Е3 - коэффициент пропорциональности. Назовем Е3 модулем пластической деформации. Так как по результатам экспериментов его величина не зависит от величины действующего на образец напряжения;

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

73

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Е2 -модуль упругости второго рода; е - основание натурального логарифма;

П2 -коэффициент эластичности; т -время нахождения образца древесины под нагрузкой

Предложенная нами реологическая модель не исключает наличие в древесине необратимых деформаций и отображает их в конкретных, реальных условиях деформирования. А предложенное реологическое уравнение позволяет легко определить необходимые реологические показатели.

Однако полученное реологическое уравнение, хорошо описывающее процессы, происходящие при сжатии древесины, может не оправдаться при других условиях. В зависимости от способа нагрузки, направления сжатия древесины, различной влажности и других параметров, деформации могут иметь другие численные показатели.

В настоящее время спроектирована новая экспериментальная установка, которая позволит провести эксперименты на образцах древесины других размеров. Изучение реологических свойств древесины в зависимости от размеров образцов, влажности и темпера-

туры является предметом наших дальнейших

исследований.

Библиографический список

1. Александров, А.В. Сопротивление материалов /

A. В. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин // 2-е изд. испр. - М.: Высшая школа. - 2001. -560 с.

2. Курицын, В.Н. О реологической модели древесины. / В.Н. Курицын, Е.М. Тюленева // Вестник СибГТУ - Красноярск, 2004. - Вып. 1 - С. 3-6.

3. Курицын, В.Н. Экспериментальное уточнение реологической модели древесины // В.Н. Курицын, Е.М. Тюленева // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. -2009. - № 5 - С. 104-110.

4. Курицын, В.Н. Модели древесины с точки зрения феноменологической и молекулярной реологии /

B. Н. Курицын, Е.М. Тюленева // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения. Всероссийская научно-практическая конференция. Сб. статей студентов и молодых ученых. - Красноярск: СибГТУ - 2007. - Т 1. - С. 191-196.

5. Тюленева, Е.М. Феноменологический и молекулярный подход в изучении реологических свойств древесины / Е.М. Тюленева // Сб. науч. тр. по материалам международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2011». - Т. 3. Технические науки. - Одесса: Черноморье, 2011. -С. 47-51.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

импульсной сушки березовых пиломатериалов в опытно-экспериментальной установке

А.А КОСАРИН, доц. каф. процессов и аппаратов д/о предприятий МГУЛ, канд. тех. наук, Г.Н. КУРЫШОВ, доц. каф. процессов и аппаратов д/о предприятий МГУЛ, канд. тех. наук

Импульсная сушка состоит из чередующихся циклов условно названных «импульс-пауза». В период «импульса» в камере поддерживается заданная температура сушильного агента, осуществляется его циркуляция и выброс части испаренной влаги через приточно-вытяжные каналы; сушка ведется при повышенной температуре и низкой степени насыщенности воздуха в камере. Этот период характеризуется высокой интенсивностью процесса за счет большего градиента влажности по толщине материала [1-3].

kosarin@mgul.ac.ru, kurishov@mgul.ac.ru В период «паузы» подача тепловой энергии материалу прекращается. Степень насыщенности воздуха в камере возрастает вследствие продолжающегося испарения воды из материала; происходит увлажнение поверхности древесины за счет влаги, поступающей из внутрених слоев древесного сортимента, что приводит к снижению сушильных напряжений.

Для проверки и определения эффективности импульсной сушки пиломатериалов на универсальной опытно-экспериментальной сушильной камере вместимостью 1,5 м3

74

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014