Влияние температуры и влажности на прочность древесины при сжатии в замкнутом пространстве

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ НА ПРОЧНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ СЖАТИИ В ЗАМКНУТОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Вишуренко Н.В., Корчма И.С., Спицын И.Н.

In article influence of hydrothermal characteristics on durability of wood is considered.

На сегодняшний день в лесопильной индустрии России основным бревнопильным оборудованием остаются лесопильные рамы, производительность которых лимитируется производительностью рамных пил. Вопросы повышения производительности при распиловке мерзлой древесины в настоящее время остаются актуальными в сибирских регионах, поскольку большую часть года в Сибири распиливают мерзлую древесину.

Пиление мерзлой древесины сопряжено с рядом особенностей, которые вызываются изменением физико-механических свойств древесины в условиях отрицательных температур, изменением процесса деформирования и стружкообразования и т.д.

В предыдущих статьях [1], [2] мы рассмотрели изменение процесса деформирования древесины в межзубовой впадине в условиях отрицательных температур с различной влажностью и выяснили, что при понижении температуры с влажностью выше предела насыщения волокон коэффициент уплотнения стружки во впадине увеличивается. Теперь мы рассмотрим влияние гидротермических факторов древесины на ее механические свойства, а именно -на предел прочности древесины.

Изучением прочностных показателей древесины при отрицательной температуре занимались многие исследователи. Следует отметить, что исследования проводились по стандартной методике. Резание же древесины относится к процессам, происходящим в полузамкнутом пространстве. Характер напряжений и деформаций, возникающих при этом, будет иной, чем при сжатии образца при стандартных испытаниях.

При сжатии происходит трехфазное деформирование: сначала идет упругое деформирование более слабых слоев ранней древесины; затем их разрушение, далее упругое деформирование поздних слоев. Образец не разрушается, происходит его прессование.

Переход влаги древесины в другое агрегатное состояние, образование внутри клеток ледяных включений заметно сказываются на прочностных свойствах древесины при отрицательных температурах. Очевидно, что изменение прочности находится в прямой зависимости от количества льда в древесине, зависящего от температуры и влажности.

Возрастание силовых показателей при распиловке мерзлой древесины по сравнению с талой ведет к снижению производительности.

Как уже говорилось, при сжатии образца в замкнутом пространстве разрушение не происходит, происходит его прессование, поэтому получить предел прочности при сжатии древесины, в отличие от сжатия образца,

открытого со всех сторон, невозможно. В связи с этим, в наших опытах мы пользовались условным пределом прочности - напряжением, при котором кончается пропорциональное течение первой фазы на диаграмме 5 - е. Другими словами, условный предел прочности равен пределу пропорциональности.

Опыты, проведенные нами на сжатие образцов древесины вдоль волокон в замкнутом пространстве показали, что с увеличением влажности до предела гигроскопичности условный предел прочности древесины уменьшается, рисунок 1, а при увеличении влажности выше предела гигроскопичности прочность древесины возрастает при отрицательных температурах, рисунок 2. С понижением температуры предел прочности образцов увеличивается при одной и той же влажности, рисунки 1,2.

Рисунок 1 - Зависимость предела пропорциональности от влажности при различной температуре

Испытания проводились на разрывной машине Р-5 при скорости нагружения 4 мм/мин. Образцы изготавливались цилиндрической формы. Размеры образцов: d=20мм; ^=25мм. Порода древесины - сосна. Образцы с необходимой влажностью закладывались в морозильник - ларь с микропроцессорным блоком управления «Бирюса 280»

8,000 го а ^

S I- и о

с; ГС I

о s =Г Cl

1 ппп 1—-""Т с; ф ф

0,000 Q_ С

-40 -30 -20

Температура t,°C

-10

10

W 75-120% •W 50% W 12-14%

Рисунок 2 - Зависимость предела пропорциональности от температуры при различной влажности

Мерзлая древесина является сложной системой, содержащей древесинное вещество, включения льда, воду связанную и в жидком состоянии, а также газообразные компоненты - пары и газы. Эти компоненты находятся во взаимной связи друг с другом, зависящей как от свойств отдельных фаз, так и от интенсивности внешних воздействий (изменений отрицательной температуры, давления). Под давлением, даже весьма незначительным, лед тает [3]. При резании на лезвии резца возникают усилия в несколько раз больше тех, которые необходимы для таяния льда.

Особым свойством строения льда является подвижность атомов водорода, которая непрерывно меняется под действием внешних воздействий. При понижении температуры подвижность атомов водорода уменьшается, прочностные свойства льда повышаются.

Интенсивность влияния температуры на механические свойства мерзлой древесины различна и зависит от того, в какой области фазовых превращений воды она изменяется. В этой области факторами, определяющими прочность мерзлой древесины, являются количественное содержание льда и незамерзшей воды и зависимость их содержания от изменений отрицательной температуры. Увеличение прочности мерзлой древесины с понижением температуры в области незначительных фазовых превращений воды можно объяснить увеличением прочности льда при понижении отрицательной температуры. Цитович Н.А. отмечает [3], «что для льда характерна очень слабая водородная связь атомов, причем их подвижность резко уменьшается с понижением температуры, что и обуславливает упрочнение структуры льда».

Таким образом, можно отметить, что при сжатии древесины в замкнутом пространстве наблюдается линейное увеличение предела прочности сухой древесины с понижением температуры и интенсивное увеличение прочности

влажной древесины, если влажность выше точки предела насыщения волокон, при отрицательных температурах.

Литература

1 Спицын, И.Н. Исследование влияния влажности и температуры на степень уплотнения древесины в замкнутом пространстве/ И.Н. Спицын, Н.В.Вишуренко, И.С.Корчма// Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. научных трудов. Часть 2 - Брянск, 2008. - С. 138 - 140.

2 Вишуренко, Н.В. О влиянии отрицательных температур на деформирование древесины в замкнутом пространстве/ Н.В. Вишуренко, И.Н. Спицын, И.С. Корчма // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. научных трудов. Выпуск 22 - Брянск, 2009. - С. 235 - 238.

3 Цытович, Н.А. Механика мерзлых грунтов. Учебное пособие [Текст] / Н.А. Цытович. -М.: Высшая школа, 1973. - 448 с.