Український державний лісотехнічний університет

СОКОЛОВСЬКИЙ яРОСЛАВ ІВАНОВИЧ

УДК 674.047

ДЕФОРМАТИВНІСТЬ ДЕРЕВИНИ

Й ДЕРЕВНОСТРУЖКОВИХ ПЛИТ ЗІ ЗМІННИМИ

ПОТЕНЦІАЛАМИ ТЕПЛОМАСОПЕРЕНЕСЕННЯ

Спеціальність: 05.05.07 – машини та процеси лісівничого комплексу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному лісотехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Гірник Микола Лукіч

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Білей Петро Васильович,

Український державний лісотехнічний університет, завідувач кафедри технології деревообробки і захисту деревини

Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Іноземцев Георгій Борисович,

Національний аграрний університет,

професор кафедри застосування електроенергії

у сільському господарстві

доктор технічних наук, професор, академік РАЕН

Чубинський Анатолій Миколайович,

Санкт-Петербурзька лісотехнічна академія,

проректор з навчальної роботи

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України, кафедра хімічної інженерії і

промислової екології, м. Львів.

Захист відбудеться 12 червня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.072.03 Українського державного лісотехнічного університету за адресою:

79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 103, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського державного лісотехнічного університету за адресою: м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 101.

Автореферат розісланий 10 травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Прокопович Б.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвищення ефективності виробництва лісопромислового комплексу та переоснащення його структур є однією з головних умов успішної реалізації програми розвитку держави. У вирішенні цієї важливої проблеми значну роль відіграє розробка нових і вдосконалення існуючих прогресивних технологій сушіння деревини та виготовлення деревних композитних матеріалів, показники якості яких у значній степені визначаються деформаційно-релаксаційними і тепломасообмінними процесами. В існуючих умовах зростання дефіциту енергетичних ресурсів ці процеси залишаються одними з найбільш енергомістких і є недостатньо вивчені. Адже тут проявляються особливості, пов’язані зі зміною структури, порушенням форм міжмолекулярних зв’язків, наявністю механізмів повного або часткового руйнування матеріалу. Зневоднення деревини зі змінними потенціалами тепломасоперенесення супроводжується наявністю залишкового напружено-деформівного стану, зміною більшості фізико-механічних властивостей, які визначають практичну цінність готової продукції. Значні за величиною внутрішні напруження є основним стримуючим фактором для інтенсифікації процесу сушіння. Вдосконалення процесу виготовлення пресованих деревних матеріалів на основі застосування нових прогресивних технологій гостро ставить проблему розробки універсальних методів синтезу та аналізу деформативних і тепломасообмінних процесів з врахуванням еволюції структури композитного матеріалу.

Вирішення даної проблеми ускладнюється тим, що деревина й деревні матеріали належать до класу фізично нелінійних полімерів, характеризуються високою гідрофільністю, значною мінливістю структурних і фізико-механічних властивостей. Отримані деякі принципово важливі результати у дослідженнях вітчизняних і закордонних вчених не повністю відображають складну багатогранну картину динаміки деформаційно-релаксаційних процесів у деревині й деревних композитах через неврахування їх зв'язку з характеристиками тепломасообміну та реальної реологічної поведінки матеріалів.

Тому розробка теоретичних основ та універсальних і надійних методів синтезу та аналізу деформаційно-релаксаційних процесів у деревині й деревних композитних матеріалах зі змінними потенціалами тепломасоперенесення має не тільки наукову цінність, але і сприяє вирішенню важливої науково-технічної проблеми, пов’язаної з раціональним вибором та регулюванням технологічних режимів процесів сушіння деревини й виготовлення деревних матеріалів зі своєчасним забезпеченням необхідних механічних характеристик цих матеріалів. Також актуальним є отримання нових експериментальних даних реологічних властивостей деревини й деревних матеріалів, які обумовлюють можливість узагальнення та прогнозування змін цих властивостей.

Зв’язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідних робіт, які виконуються у відповідності з основними напрямками наукової діяльності Українського державного лісотехнічного університету. Роботу виконано згідно з :

·

·

·

·

·

Метою роботи є - розробити методи синтезу та аналізу деформаційно-релаксаційних процесів у деревині й деревних матеріалах і встановити їх закономірності, які складають наукову базу для раціонального вибору та обгрунтування технологічних режимів процесів сушіння деревини й виготовлення деревностружкових плит за рахунок регулювання напружено-деформівного стану матеріалів.

Досягнення мети здійснено на основі синтезу основних законів термодинаміки незрівноважених процесів і механіки спадкових середовищ шляхом розв’язання наступних завдань:

·

·

·

·

·

·

·

Об’єкт дослідження – деформативність деревини й деревних композитних матеріалів.

Предмет дослідження – фізико-математичні моделі, закономірності деформаційно-релаксаційних процесів у деревині під час сушіння й деревностружкових плитах у технологічному процесі їх виготовлення.

Методи дослідження. У дисертації використано методи механіки спадкових середовищ, термодинаміки незрівноважених процесів, теорії тепломасоперенесення для проведення теоретичних досліджень; експериментальні статичні методи для визначення реологічних властивостей матеріалів; методи чисельного диференціювання та математичної статистики для обробки експериментальних даних; варіаційні та скінчено-різницеві методи для проведення чисельних експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі синтезу основних законів термодинаміки незрівноважених процесів і механіки спадкових середовищ дістала подальший розвиток прикладна теорія зв’язаних деформаційно-релаксаційних і тепломасообмінних процесів у капілярно-пористих матеріалах, яка суттєво доповнює основні положення про вплив температурно-вологісних полів на розвиток напружено-деформівного стану деревини у процесі сушіння й деревних композитних матеріалів у технологічному процесі їх виготовлення.

Отримано узагальнене реологічне рівняння стану деревини, яке дозволило кількісно вивчити пружні, в’язкопружні і залишкові деформації та механізми їх виникнення і переродження у часі залежно від зміни температури і вологості.

Вперше синтезовано фізико-математичну модель зв’язку деформаційно-релаксаційних процесів у капілярно-пористих тілах з процесами зовнішнього та внутрішнього тепломасоперенесення, яка обумовлює отримання закономірностей для регулювання режимними параметрами процесу сушіння деревини залежно від зміни напружено-деформівного стану пиломатеріалів.

Експериментально встановлені закономірності реологічних властивостей деревини й деревностружкових плит для напрямів анізотропії і режимів навантаження, які дозволяють кількісно описати та прогнозувати процеси повзучості і релаксації напружень, їх взаємодію, накопичення незворотніх деформацій у попередньо деформованих матеріалах для широкого діапазону зміни температурно-вологісних умов середовища. Отримано залежності анізотропних характеристик деревини сосни для різних значень температури і вологості.

Розв’язано практично важливий для процесу сушіння деревини клас нових задач визначення напружено-деформівного стану матеріалу у в’язкопружній області деформування з врахуванням перетворення у часі різних видів деформацій. Встановлено закономірності впливу температури і вологості на розвиток напружень у висушуваній деревині, які суттєво спостерігаються у діапазоні зміни вологості від рівноважної до максимально гігроскопічної та визначаються формами і видами зв’язку вологи з матеріалом. Оцінено вплив поглиблення зони випаровування вологи, нагрівання деревини внутрішніми і зовнішніми джерелами тепла на поведінку вологісних і залишкових напружень та встановлено зв’язок між ними і масообмінним критерієм тріщиноутворення.

Вперше досліджено двомірний напружено-деформівний стан деревини в умовах неізотермічного тепломасоперенесення з врахуванням анізотропії фізико-механічних властивостей матеріалу, що дає можливість кількісно описати вплив гігроскопічної вологи, температури, анізотропії, геометричних розмірів пиломатеріалів на розподіл нормальних і тангенціальних напружень для різних етапів процесу сушіння. Встановлено коефіцієнт інтенсивностей напружень на поверхнях можливого розтріскування висушуваної деревини під дією гігроскопічної вологи.

У рамках розвинутого теоретичного підходу запропоновані методи синтезу та аналізу, які на відміну від існуючих дозволяють дослідити деформативність деревностружкових плит у технологічному процесі їх виготовлення як структурно неоднорідного пружнов’язкопластичного матеріалу з врахуванням ефекту переродження деформацій у часі.

Встановлені закономірності релаксації напружень, деформацій повзучості та оберненої повзучості для різних значень температури, вологості матеріалу дозволили кількісно описати вплив основних технологічних факторів на величину та характер зміни опору деревностружкового пакету зовнішньому навантаженню у процесі пресування. Досліджено поведінку розвитку вологісних і залишкових напружень у деревностружкових плитах під дією нерівномірно розподілених в їх об’ємі температурно-вологісних полів. Вивчено вплив структурних факторів на механічні характеристики деревних матеріалів та проведено їх оцінку з врахуванням пористості та специфіки контакту між деревними частинами.

Наукова новизна підтверджена патентами на винаходи.

Практичне значення одержаних результатів полягає у реалізації результатів досліджень у вигляді методик, інженерних методів, алгоритмів для розрахунку і прогнозування деформативності деревини й деревних композитних матеріалів зі змінними потенціалами тепломасоперенесення, що є важливим інструментом для розробки і вдосконалення раціональних технологій сушіння деревини й виготовлення деревностружкових плит за рахунок регулювання напружено-деформівного стану матеріалів.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень зв’язку деформаційно-релаксаційних процесів у деревині з параметрами зовнішнього та внутрішнього тепломасообміну впроваджено для розробки системи автоматичного регулювання і корекції режимів сушіння деревини за зміною напружено-деформівного стану пиломатеріалів на: ВАТ “Надвірнянський лісокомбінат” (акт від 7.03.2000 р.), НВО “Політехнік” – ПП “Юта” (м.Харків, акт від 26.06.1996 р.).

На основі закономірностей реологічної поведінки деревних матеріалів під дією гідробаротермічного навантаження запропоновані рекомендації для вдосконалення режимних параметрів виготовлення деревностружкових плит за рахунок регулювання швидкістю релаксації напружень, які використані та впроваджені на: ВАТ “Брошнівський лісокомбінат” (акт від 17.04.2000р.); державному заводі деревностружкових плит “Осмолода” (м.Брошнів, акт від 11.04.1997 р.); СП “Інтерплит” (м.Надвірна, акт від 15.06.2000р.).

Технологічний пріоритет отриманих результатів підтверджено патентами на винаходи способів та пристроїв контролю та регулювання фізико-механічних властивостей деревини й деревних матеріалів.

Результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі УкрДЛТУ (дисципліни – “Ідентифікація технологічних процесів”, “Автоматизовані системи керування технологічними процесами”, “Метрологія”, “Технологічні вимірювання”).

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі стану проблеми, обгрунтуванні та розробці основної ідеї і теми дисертації, формуванні мети та завдань виконаної роботи. У працях, які написані у співтоваристві, здобувачеві належить: [1] – вступ, розділ 1, розділ 2 (п.1.1-1.5; п.2; п.3.1-3.4; п.4.1-4.3; п.5), розділ 3 (п.1-3); п.5-6); [16] – методи синтезу та аналізу, експериментальні результати реологічної поведінки деревини вздовж і поперек волокон; [17,18] – методи синтезу та співвідношення для визначення напружень неоднорідних анізотропних матеріалів; [19,20] – обгрунтування та аналіз закономірностей, формули для визначення вологісних і залишкових напружень; [21,22] – залежності впливу квадратичного і лінійного температурно-вологісних полів на коефіцієнти інтенсивностей напружень; [23] – співвідношення для визначення напружень під час контакту преса з матеріалом; [25,28,29,30] - моделі напружень і деформацій деревних матеріалів, методи прогнозування ефективних механічних і теплофізичних характеристик; [24,31] – аналіз основних законів тепломасообміну з врахуванням фазових переходів і швидкості руху деревностружкового пакету.

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертації та її результати доповідались та обговорювались на: International Scientific Conference “Mechanical wood Techology” (Софія, 21-23.10.1996); Міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми механіки та математики” (Львів, 25-28.05.1998); Міжнародній науковій конференції по математичному моделюванню (Херсон, 2-6.09.1996); 1-ій та 2-ій Міжнародних науково-практичних конференціях “Проблеми екології енергії” (Львів, 16-19.06.1998., 2-4.06.1999); Міжнародній науковій конференції “Проблеми деревообробки на рубежі XXI століття: наука, освіта, технології” (Львів, 13-15.06.1999); XIII Konferenciji Naukovej Wyzialu Thecnologiji Drewna SGGW ”Drewno material o wszechstronnym przeznaczeniu i zastosowaniu” (Варшава, 16-18, 11.1999); Семинаре Регионального координационного совета по современным проблемам древесиноведения при Международной академии наук о древесине (ИАВС) “Древесина в строительстве” (Москва, 12-14.10.1999); 4-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки” (Львів, 1997); 3-м Международном симпозиуме “Строение, свойства и качество древесины” (Петрозаводск, 6-9.09.2000); Міжнародній науково-методичній конференції “Інтеграція науки, освіти і виробництва” (Луцьк, 25-27.05.2000); Міжнародній конференції “Моделювання і дослідження стійкості системи (Київ, 1997); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми автоматизації лісопромислового комплексу” (Львів, 27—27.05.1996); Міжнародній конференції “Комп’ютерні технології друкарства” (Львів, 1998.,); Міжнародній конференції “Механіка неоднорідних структур” (Львів, 1995); Міжнародній науковій конференції “Лісопромисловий комплекс напередодні ХХІ століття: освіта, наука, виробництво” (Львів, 21-28.04.1999); XIII, XV International sympoziym “Adhesive in woodworking industry” (Зволен, Словаччина, 3-5.9.1997; 5-7.9.1999); науково-методичній конференції “Нові інформаційні технології підготовки інженерів технічних вузів” (Черкаси, 1996); Міжнародній конференції “Проблеми роботи з обдарованою студентською молоддю” (Львів, 22-25.09. 1998); Міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми механіки і математики”, присвяченій 70-річчю до дня народження академіка НАН України Я.С.Підстригача (Львів, 25-28.05.1998 р.,); Международной конференции и выставке “Лес-2000” (Брянськ, Росія, 16-18.05.2000); науково-технологічній конференції “САПР і комп’ютерне моделювання у машинобудуванні” (Хмельницький, 11-14.04. 2000); науково-технічній конференціях УкрДЛТУ і наукових семінарах кафедри автоматизованих виробничих процесів, електротехніки і теплотехніки (1992-2000 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у монографії, 30 наукових працях, 8 препринтах, 15 матеріалах і тезах конференцій. Отримано 11 патентів України на винаходи і 5 позитивних рішень за поданими заявками.

Структура та обсяг роботи Дисертаційна робота загальним обсягом 381 сторінок складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Основний текст дисертації викладено на 288 сторінках, проілюстровано 120 рисунками і 29 таблицями. Бібліографічний список включає 372 назви.

Автор вдячний професорові, д.т.н. за проявлену увагу до роботи на початковій стадії виконання.

Основний Зміст роботи

У вступі проаналізовано стан наукової проблеми, її значущість. Обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, охарактеризовано наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі наведено аналіз сучасного стану деформаційно-релаксаційних і тепломасообмінних процесів у технології деревообробки. Показано, що сучасні вимоги для раціонального ведення технологічного процесу сушіння деревини і підвищення ефективності технології виготовлення деревних композитів зумовлюють необхідність подальшого вивчення деформаційно-релаксаційних процесів у матеріалах, які формують показники міцності продукції, залежно від закономірностей процесу тепломасоперенесення, як основних чинників розробки раціональних технологічних режимів.

Проблемі синтезу та аналізу реологічної поведінки деревини для різних умов зміни температури і вологості присвячено значну кількість робіт теоретичного та експериментального характеру. У зв’язку зі складністю структурної будови деревини як неоднорідного, анізотропного природного композита, що складається з високомолекулярних сполук і характеризується високою мінливістю фізично-нелінійних властивостей, побудова загального рівняння реологічного стану на сьогоднішній день є складною і невирішеною проблемою. Для її розв’язання емпіричним шляхом, або з використанням пружинно-демферних моделей отримано деякі принципово важливі результати та встановлена структура і властивості реологічної поведінки деревини для часткових випадків навантаження і деформування в обмежених інтервалах зміни температури і вологості. Суттєвий вклад у ці дослідження внесли Ф.П.Белянкін, П.В.Білей, М.Д.Бивших, Ю.М.Іванов, Б.І.Огарков, Я.Я.Ратенієкс, А.Р.Ржаніцин, К.А. Роценс, П.С. Сєрговський, Б.Н.Уголєв, П.Н. Хухрянський, А.М. Чубинський, В.Ф.Яценко, Т.Arima, Z.Barant, M.Lawniczak, A.Ranta-Maunus, P.Perre, J.Raczkowski, Т.Tаkemura та інші.

Аналіз досліджень напружено-деформівного стану деревини у процесі сушіння вказує на наявність двох підходів щодо вирішення даної проблеми. У рамках першого підходу для дослідження напружень у висушуваній деревині використано методи механіки суцільного середовища (П.С.Сєрговський, П.В.Білей, Б.Н.Уголєв, Г.С.Шубін, І.В. Кречетов, Й.В.Андрашек, Ю.М.Губер, Н.В.Дзига, Л.П.Красухіна, С.В.Лешенко, Ю.Г. Лапшін, Т.Н.Ломідзе, Б.І.Огарков, А.Н.Синяк, Н.В.Скуратов, O.Dahblon, P.Levis, J.Johnson, H.Posen, M.Strada, S.Svenson, J.Welling). Отримані системи рівнянь для поетапного розрахунку напружень, а також диференційна форма закону Гука враховує в основному закономірності розвитку пружних деформацій та їх переродження у квазізалишкові залежно від зміни вологості. Застосування чисельних методів дозволило вирішити плоску задачу розрахунку напружень для початкової стадії процесу сушіння у рамках теорії пружності, а вплив анізотропії механічних властивостей враховано за допомогою емпіричних залежностей. Інший підхід базується на існуванні виявленого в умовах циклічної зміни вологості навантаженої деревини особливого механізму механіко-сорбційної повзучості, який відображає процес деформування залежно від зменшення вологи у деревині (P.Castera, A. Clouter, R.Erickson, R.Groissman, J.Lin, B.Martensson, P.Perre, L.Muszynski, A.Ranta-Maunus, J.Salin, D.Saner, M.Tokumoto). У дослідженнях Б.Н.Уголєва та його учнів висловлюється певна застереженість щодо правомірності застосування такого підходу до розрахунку напружено-деформівного стану деревини у процесі сушіння і зроблена спроба обгрунтувати механізм сорбційної повзучості гігровтомою матеріалу.

У наявних фундаментальних дослідженнях отримані лише деякі принципово важливі результати реологічної поведінки деревини, які вказують на складність проблеми. Але відсутність комплексного підходу з точки зору зв’язку законів механіки спадкових середовищ і процесів тепломасообміну не дозволяє синтезувати точну модель, яка відображає складну, багатогранну і зв’язану картину напружено-деформівного стану висушуваної деревини з параметрами внутрішнього і зовнішнього тепломасоперенесення.

Аналіз сучасного стану механіки деревних композитних матеріалів, зокрема деревностружкових плит свідчить про зміщення акценту досліджень фізико-механічних закономірностей у технологічну область. Вирішенню важливої проблеми у цьому аспекті, а саме розробці феноменологічних розрахункових моделей деформаційно-релаксаційних і тепломасообмінних процесів, присвячено цілий ряд фундаментальних досліджень, наведених у працях О.М.Облівіна, П.А.Бехти, Е.М.Разінькова, Г.Б.Іноземцева, Н.Йосифова, А.П.Багдатьєвої, Г.І.Гарасевича, В.В.Гамова, О.Б.Денісова, М.І.Сосніна, А.З.Долгінцева, А.І. Кондрючого, І.А.Лавриченко, А.К.Воскресенського, П.П. Щеглова, І.А.Отлєва, А.І.Пожитка, А.С.Савіцького, А.М. Клімової, Д.В.Тулузакова, І.Х.Шор, Г.М.Шварцмана, Д.В.Щедро, А.А.Анісова, Ю.Г.Друганова, В.П.Жукова, Н.А.Михайлова, Н.І.Остапенко, A.Fruhwald, M.Graser, M.Erdsiek, P.Humphrey, G.V.Haas, M.Pottmann, F.Kamke, H.Thomen, J.Wilson, P.Niemz, S.Ren, M.Wolcott та інших.

Незважаючи на достатньо велику кількість робіт з даної проблематики як вітчизняних, так і закордонних вчених необхідно зазначити, що у переважній більшості вони стосуються постановки і вирішення задач тепломасоперенесення. На сьогоднішній день майже відсутні фундаментальні дослідження зв’язку деформаційно-релаксаційних і тепломасообмінних процесів у технології виготовлення деревностружкових плит. Наявні залежності для визначення напружено-деформівного стану у процесі виготовлення деревних матеріалів недостатньо універсальні та у більшості випадків носять емпіричний або напівемпіричний характер. Вони можуть бути застосовані лише для часткових випадків. У розглянутих роботах, в основному, досліджено пружний опір матеріалу, а в’язкопружні і залишкові деформації є недостатньо вивчені.

На основі аналізу сучасного стану проблеми обгрунтовано необхідність та актуальність дослідження деформаційно-релаксаційних процесів у деревині й деревностружкових плитах зі змінними потенціалами тепломасоперенесення, визначено мету і задачі досліджень.

У другому розділі на основі використання законів механіки спадкового середовища і термодинаміки незрівноважених процесів дістали подальший розвиток методи синтезу та аналізу взаємодіючих деформаційно-релаксаційних і тепломасообмінних процесів у капілярно-пористих матеріалах, які суттєво поглиблюють основні теоретичні положення про вплив процесу тепломасоперенесення на розвиток напружень і деформацій у технологічних процесах сушіння деревини й виготовлення деревних композитних матеріалів.

В основі синтезу та аналізу запропонованих фізико-математичних моделей деформаційно-релаксаційних процесів у деревині і деревностружкових плитах зі змінними потенціалами тепломасоперенесення покладено методологію системно-структурного підходу, що обумовило обгрунтування вибору параметрів феноменологічного опису моделей і задання відповідних законів перенесення тепла, маси, енергії та імпульсу. На основі термодинамічного аналізу описано структуру зв’язків, встановлено взаємний вплив різних явищ і факторів, зокрема процесів повзучості, релаксації та всихання на деформативність деревних матеріалів. Описано узагальнену функцію вільної енергії (термодинамічного потенціалу досліджуваної системи), як функцію стану матеріалів зі змінними потенціалами перенесення, що визначається компонентами сумарних (пружних, в’язкопружних і залишкових) тензорів деформацій ij, або напружень ij , хімічним потенціалом , або вологовмістом U і температурою t, або ентропією S. Функцію стану виражено через інваріанти з визначальних параметрів, зокрема тензорів деформацій.

Синтезовану фізико-математичну модель деформаційно-релаксаційних процесів у деревині в процесі сушіння у загальному випадку наведено у вигляді системи диференційних рівнянь:

рівнянь збереження і руху: ; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

;

рівнянь стану: ; (5)

; (6)

. (7)

Для замикання системи рівнянь (1)-(7) використано умови сумісності деформацій, кінематичні рівняння потенціалів тепломасоперенесення, а також початкові і граничні умови третього роду, які є характерні для різних етапів процесу сушіння.

Отримана система рівнянь (1)-(7) дозволяє описати температурно-вологісні і напружено-деформівні поля у процесі сушіння деревини з врахуванням в’язкопружних властивостей матеріалу і механізмів переродження деформацій у часі.

На основі встановлення зв’язків між рівняннями збереження (2)-(4) і узагальненням закону Гука для в’язкопружних матеріалів отримано залежність реологічної поведінки деревини зі змінними температурно-вологісними полями як в’язкопружного матеріалу, для якого є характерним перетворення у часі одного виду деформацій в інший. Оскільки для визначення характеристик реологічної поведінки деревини у відповідних діапазонах зміни U i t розроблено методику експериментальних досліджень на повзучість і релаксацію з використанням інтегральних функцій (ядер повзучості і релаксації), то реологічну закономірність деформування деревини можна подати у вигляді

. (8)

Запропоноване реологічне рівняння (8) підтверджено експериментальними результатами для випадків повзучості та оберненої повзучості деформацій для різних рівнів температури і вологості.

З метою подальшої розробки фізико-математичних моделей і методів дослідження деформативності деревностружкових плит у процесі виготовлення проведено термодинамічний аналіз процесу з врахуванням кінетичних аспектів структурного формування матеріалу. Враховуючи, що для різних механізмів виникнення напружень є характерним збільшення енергії активації і зменшення величини внутрішньої енергії, то для моделювання деформаційно-релаксаційних процесів у деревностружкових плитах прийнято характерну для полімерів гіпотезу про те, що швидкість процесу релаксації вільної енергії є пропорційною відхиленню її біжучого значення від рівноважного, а для кількісної оцінки введено параметр , що характеризує міру віддаленості залежного від гідробаротермічних властивостей структурного стану деревного матеріалу від локального стану рівноваги.

Зв’язок між тензорами напружень і деформацій отримано із законів термодинаміки незрівноважених процесів та описаного на основі наведеної гіпотези еволюційного рівняння стану матеріалу =p-1 (p – час релаксації рівноважного стану). Це дозволяє синтезовану модель деформативності деревностружкових плит представити у вигляді

. (9)

Спеціальним вибором ядра релаксації R можна враховувати в’язкопружні і залишкові деформації.

Конкретизація залежних від температурно-вологісних полів реологічних властивостей деревностружкових плит у фізико-математичній моделі (9) зумовлює необхідність проведення відповідних експериментів. Тому для вирішення практичних задач модель може бути спрощена у відповідності з наявними експериментальними даними. Зокрема, оцінка енергії дисипації свідчить про її незначний вплив на розподіл температурно-вологіcного поля. Тому закономірності деформативності і тепломасоперенесення у процесі пресування деревностружкових плит безперервним способом досліджено у рамках незв’язаної задачі. Для визначення змінних потенціалів тепломасоперенесення і концентрації клею синтезовано фізико-математичну модель з врахуванням внутрішніх коефіцієнтів тепломасообміну, границі фазових переходів, швидкості руху пресуючих стрічок і кінетики твердіння клею. Прийнято, що перенесення маси здійснюється рухом парогазової суміші, що описується законом Дарсі, термодифузією за рахунок фазових переходів, протікаючих для сталих значень температури. Концентрація пари, обумовлена фазовим переходом кипіння, пов’язана з температурою кипіння рівнянням кривої насичення.

Рівняння визначення тиску парогазової суміші для безперервного способу пресування деревностружкових плит має вигляд

. (10)

Загальне рівняння перенесення теплової енергії

; (11)

.

Таким чином, синтезована фізико-математична модель (9)-(11) з врахуванням рівнянь стану парогазової суміші , тиску неконденсованих газів і кінетики твердіння клею за наявністю відповідних теплофізичних і реологічних характеристик матеріалу дозволяє встановити закономірності деформаційно-релаксаційних і тепломасообмінних процесів у деревностружкових плитах під час їх пресування в установках безперервної дії. Для її замикання задано початкові і граничні умови, особливості яких обумовлені технологічним процесом.

Третій розділ присвячено експериментальному дослідженню деформативності деревини з врахуванням фактору часу. Враховуючи скерованість експериментальних досліджень щодо вивчення напружено-деформівного стану деревини у процесі сушіння, визначено завдання реологічних досліджень: дослідити реологічну поведінку деревини на повзучість, релаксацію та обернену повзучість з врахуванням анізотропії у діапазоні зміни вологості (8%, 15%, 20%, Wгг) і температури (20С, 40С, 80С, 95С); встановити закономірності розвитку пружної, в’язкопружної і залишкової деформацій та кількісно описати функції повзучості і релаксації, необхідні для розрахунку напружено-деформівного стану висушуваної деревини; обгрунтувати застосування прискорених методів часових аналогій, які дозволяють за результатами короткочасних досліджень прогнозувати реологічні властивості деревини вздовж волокон на довготривалий час. Кожний експеримент проведено на окремо взятому взірці деревини сосни, ялини, берези і дуба для сталого навантаження розтягування і стискання, що не перевищує границі довготривалого опору.

Виконання сформульованих завдань зумовило необхідність вдосконалення існуючого обладнання, розробки нових пристроїв і методів обробки експериментальних даних, а також вирішення специфічних задач, пов’язаних з вибором форми і розмірів досліджуваних взірців, схем механічного і фізичного навантажень, способів вимірювання деформацій. З метою зменшення попередніх експериментів проведено теоретичне обгрунтування розроблених методик досліджень, що дозволило використати та узагальнити наявну у науковій літературі інформацію і підвищити достовірність експериментальних досліджень реологічної поведінки деревини, які проведено на випробовувальній машині ZST-3, дооснащеній термовологісною камерою, системою вимірювання і регулювання температурно-вологісного режиму.

Результати експериментальних значень функції повзучості (,W,t=20oC) деревини сосни для тангенціального напряму деформування наведено у табл. 1, де (=0)=Ем-1, (=)=Ет-1, Ем, Ет – миттєвий і тривалий модулі пружності, 1 - характеристика, що дозволяє оцінити ступінь повзучості деревини.

На основі аналізу експериментальних даних повзучості деформацій деревини, отриманих для сталих і змінних значень вологовмісту і температури, вивчено механізм деформування та виявлено різні типи взаємодії наведених факторів на деформативність деревини. Значне зростання складових деформацій досліджуваних порід деревини незалежно від способу навантаження спостерігається зі збільшенням вологості від 8% до Wrr. Подальша зміна вологовмісту величину змінює незначно, що якісно узгоджується з існуючими

Таблиця 1

Показники деформативності деревини сосни

,10-3 МПа | Час деформування 103 , -розтяг, - стиск

0.05 | 12 | 24 | 36 | 48 | 60 | 78 | 90 | 102 | 120

W=8% | 1.07 | 1.21 | 1.33 | 1.43 | 1.50 | 1.54 | 1.58 | 1.63 | 1.67 | 1.68

1.04 | 1.22 | 1.32 | 1.40 | 1.53 | 1.56 | 1.60 | 1.62 | 1.68 | 1.69

419 | 478 | 517 | 561 | 599 | 612 | 619 | 639 | 659 | 662

W=15% | 0.92 | 1.09 | 1.21 | 1.34 | 1.40 | 1.44 | 1.47 | 1.50 | 1.52 | 1.52

0.97 | 1.07 | 1.26 | 1.36 | 1.42 | 1.44 | 1.46 | 1.50 | 1.54 | 1.54

346 | 378 | 432 | 483 | 503 | 510 | 520 | 533 | 545 | 545

W=20% | 0.86 | 1.05 | 1.18 | 1.27 | 1.36 | 1.37 | 1.40 | 1.42 | 1.43 | 1.43

0.85 | 1.06 | 1.19 | 1.28 | 1.34 | 1.36 | 1.39 | 1.43 | 1.43 | 1.43

266 | 333 | 372 | 401 | 420 | 426 | 435 | 448 | 448 | 448

W=Wгг | 0.64 | 0.82 | 0.93 | 0.99 | 1.03 | 1.06 | 1.06 | 1.07 | 1.07 | 1.07

0.64 | 0.81 | 0.93 | 1.01 | 1.03 | 1.05 | 1.05 | 1.06 | 1.07 | 1.08

167 | 212 | 242 | 259 | 268 | 272 | 273 | 275 | 279 | 280

експериментальними даними для пружної складової. Збільшення в’язкопружних і залишкових складових зумовлено прискоренням дисипації кінетичної енергії за рахунок міжмолекулярної взаємодії молекул лігніну і целюлози у деревині і зміною їх конформацій. Для деревини з вологістю WWгг залежно від зміни температури спостерігається незначна відмінність між значеннями деформацій повзучості та оберненої повзучості у радіальному і тангенціальному напрямах. Виявлено вплив початкового вологовмісту матеріалу на величину повної деформації та її складових. Повзучість деформацій вологих взірців під навантаженням є більшою від в’язкопружної складової у процесі розвантаження, тобто під час навантаження проходить накопичення залишкової деформації. Встановлено, що пружна і в’язкопружна складові деформації для розтягу поперек волокон не залежать від початкового навантаження, а його збільшення зумовлює зростання залишкових деформацій. Збільшення температури зумовлює зростання деформацій, у той час як її зменшення для процесу повзучості не веде до суттєвої зміни деформацій. Встановлені залежності пружних характеристик (модулі Юнга і коефіцієнти Пуасона) деревини сосни для ортотропної схеми анізотропії залежно від зміни температури і вологості.

Встановлено закономірності впливу температури і вологості на такий важливий показник реологічної поведінки деревини, як час релаксації p (W,t). Виявлено, що зміна вологості суттєвіше впливає на p (W,t) для деформування деревини вздовж волокон. Зокрема, для деревини сосни (t=20о), зміна вологості від 20% до 10% обумовлює зменшення p (W,t) майже у 42 рази. Для тангенціального напрямку за таких же умов p (W,t) зменшується у 2.5 рази. Зростання температури спричиняє зменшення p (W,t). Однак швидкість спадання p (W,t) зі збільшенням t є меншою від швидкості зміни p (W,t) залежно від W. За результатами вимірювань в однакових температурно-вологісних умовах отримано залежність , а коефіцієнти А і В визначено для кожної породи деревини.

Результати досліджень деформацій повзучості та оберненої повзучості деревини поперек волокон дозволили побудувати необхідні для синтезу та аналізу напружено-деформівного стану пиломатеріалів (8) ядра повзучості з врахуванням накопичення залишкових деформацій:

; . (12)

Розроблено алгоритм визначення параметрів 0, , , та обгрунтовано вибір їх кількості з умови мінімуму квадратичного відхилення експериментальних кривих . Застосування більш складніших функцій повзучості у силу високої мінливості деформативних властивостей деревини суттєво ускладнює математичний апарат і робить його незручним для практики.

Для дослідження реологічної поведінки деревини вздовж волокон та узагальнення існуючих експериментальних даних запропоновано підхід з використанням встановлених масштабних функцій, які забезпечують інваріантність деформівних процесів відносно зміни температури і вологості. Побудовано узагальнені криві повзучості для досліджуваних порід деревини у напівлогарифмічних координатах (, ln) і визначено масштабну функцію lnа(t,W), що характеризує залежність кривих повзучості від узагальненої, наведеної для базових значень температури t0=40o i вологості W0=8%. Встановлено, що функція є нелінійною за кожним з аргументів та зумовлена їх взаємовпливом. У загальному випадку ln а(t,W) описано поліномом другого порядку, а коефіцієнти визначено методом мінімальних квадратів.

На основі виявлених особливостей деформування деревини вздовж волокон для різних значень температури і вологості запропоновано реологічне рівняння

. (13)

Встановлено спектри часів релаксації і функції а (t,W). Зокрема, для t=40oC:

; . (14)

Значення коефіцієнта b для різних порід деревини і способу навантаження наведені у табл. 2

Таблиця 2

Значення коефіцієнтів b для визначення часу релаксації |

сосна | ялина | береза | дуб

b | Стиск | 0.63 | 0.51 | 0.42 | 0.70

Розтяг | 4.73 | 4.30 | 3.85 | 4.80

За результатами аналізу деформаційних кривих деревини вздовж волокон показано можливість застосування співвідношення (13). Зокрема, складові деформацій деревини берези для зміни температури у діапазонах 20…60оС і вологості 8…15% описано залежностями:

;

; (15)

; .

Порівнянням статистичних оцінок похибок апроксимацій і відтворюваності середніх експериментальних значень деформацій повзучості деревини вздовж волокон для сталих (с=7.13%, с =12.53%) і змінних (з=711.85%, з =15.71%) температурно-вологісних полів (с < с , з < з ), а також встановленням інваріантних масштабних функцій lnа (t,W) для побудови узагальнених кривих повзучості показано можливість прогнозування реологічних властивостей деревини вздовж волокон на довготривалий час. На основі аналізу експериментальних кривих повзучості деревини поперек волокон показано неможливість застосування методу часових аналогій, що спричинено різним впливом вологості на поведінку в’язких (лігніну і геміцелюлози) і пружних (целюлози) елементів.

У четвертому розділі з використанням методів теорії пружності досліджено плоский (двомірний) напружено-деформівний стан деревини у процесі сушіння з врахуванням анізотропії механічних і теплофізичних властивостей, зумовленої структурною будовою деревини. Розглянуто ортотропну пластину деревини, яка у двох взаємоперпендикулярних напрямах характеризується анізотропією механічних і вологісних властивостей, а площина ортотропії співпадає з площинами системи координат, початок якої розміщено у центрі поперечного перерізу (рис. 1).

Задачу визначення вологісних напружень у висушуваній деревині інтегруванням рівнянь рівноваги (1) зведено до рішення диференційного рівняння з граничними умовами:

;

; (16)

;;

xy=0, (Х=l1, Y=l2, L1, L2 – ширина і товщина дошки). ; ; xo(W,t), yo(W,t) – тангенціальні і радіальні коефіцієнти всихання ; - функція зміни гігроскопічного вологовмісту. Для U*>U прийнято U=0, що відповідає відсутності всихання у вологій зоні. Оскільки зміна жорсткості деревини починається з 25…30%, то U*=0.25.

Функція напружень F зв’язана з компонентами напружень формулами:

;; . (17)

Чисельний розв’язок отримано з використанням спряжених з розподілом температурно-вологісного поля сконструйованих функцій і, які забезпечують мінімум потенціальної енергії висушуваної деревини шляхом визначення невідомих коефіцієнтів аіk з встановленої системи рівнянь

; l,n=13, (18)

де (е, n) і права частина (18) є скалярними добутками,

Залишкові деформації, зумовлені залежністю модулів пружності Ex, Ey, xy від вологості (ефектом переродження) визначено за формулами:

; . (19)

Чисельний розв'язок записаних у критеріальній формі рівнянь тепломасоперенесення (2), (3) і крайовими умовами третього роду отримано ітераційним локально-одномірним методом. На рис. 2 і 3 представлено результати моделювання напружено-деформівного стану висушуваної деревини.

На основі запропонованого єдиного підходу вирішено практично важливий для процесу сушіння деревини клас задач визначення напружено-деформівного стану. Встановлено закономірності вологісних і залишкових напружень для параболічного розподілу W=Wmax xn / L22. Виявлено вплив розподілу гігроскопічної вологи, анізотропії властивостей і геометричних розмірів пиломатеріалів на величину нормальних і тангенціальних напружень. Максимальних значень нормальні напруження досягають у середньому шарі висушуваної деревини, тангенціальні у приповерхневих зонах, а на поверхні та у центрі дошки величини є незначними. Знайдено компоненти напружень для випадку, коли початкова вологість пиломатеріалів є вищою від границі насичення у першому періоді. Отримано розподіл тангенціальних і нормальних напружень торцевої зони пиломатеріалів у процесі сушіння, які суттєво залежать від модуля пружності деревини вздовж волокон. Оцінено вплив на величину нормальних напружень зміни відношення гігроскопічної зони до товщини дошки.

Знайдено коефіцієнти інтенсивностей напружень на поверхнях можливого розтріскування залежно від рівномірного і квадратичного розподілу гігроскопічної вологи. Виявлено вплив інтенсивного висушування (зволоження) на компоненти напружень, наприклад, у процесі всихання тонкого шару (шпону), наклеєного на масивну основу.

У п’ятому розділі розглянуто методи синтезу і результати досліджень напружено-деформівного стану деревини у процесі сушіння з врахуванням в’язкопружних властивостей та особливостей переродження деформацій у часі. Розроблені методи синтезу та аналізу, які формалізовано з метою використання отриманих експериментальних даних реологічної поведінки деревини, дозволяють кількісно встановити важливі у технології сушіння деревини закономірності впливу розподілу гігроскопічної вологи, її градієнту, анізотропії сталих і змінних коефіцієнтів та внутрішніх джерел тепломасоперенесення, геометричних розмірів пиломатеріалів на розвиток в’язкопружних і залишкових напружень у деревині для різних етапів процесу сушіння.

Отримані залежності для визначення напружено-деформівного стану висушуваної деревини представлено у структурній формі. Для нерегулярного режиму процесу сушіння маємо:

; (20)

.

Розроблені методи синтезу та аналізу дозволили встановити залежності розподілу вологісних і залишкових напружень у деревині зі сталими і змінними коефіцієнтами тепломасоперенесення для періоду падаючої швидкості сушіння. Розглянуто випадки початкових параболічного і косинусоїдального розподілів вологовмістів.

Виявлено вплив максимальних напружень на критерій тріщиноутворення Ктр, прийнятий як відношення перепаду між локальним і середнім вологовмістом до початкового вологовмісту. Для визначення максимально-допустимих значень Ктр у випадку параболічного розподілу вологовмісту (регулярний режим) отримано інтегральне рівняння

. (22)

Вивчено напружено-деформівний стан деревини з врахуванням наявності поглиблення зони випаровування вологи у періоді падаючої швидкості сушіння. У зв’язку зі складністю визначення температурно-вологісних полів прийнято допущення, що вологовміст вологої зони є сталим, а у зоні випаровування дорівнює рівноважному значенню. На основі аналізу результатів показано наявність розривів у напруженнях для різних теплофізичних значень зони поглиблення випаровування вологи, збільшення величини розтягуючих напружень, зумовлених зростанням швидкості сушіння, а також наявність стискаючих напружень для деяких значень зони випаровування у сухій області деревної пластини (без врахування зони розтягуючих напружень).

На основі проведених досліджень вивчено основні закономірності розвитку в’язкопружних і залишкових напружень у деревині в процесі сушіння з врахуванням розподілу гігроскопічної вологи, форм зв’язку вологи з матеріалом, фізико-механічних характеристик, умовної густини (породи) та геометричних розмірів пиломатеріалів. Характер динаміки залишкових напружень зумовлений нерівномірним розвитком вологісних деформацій і деформацій повзучості та оберненої повзучості залежно від форм зв’язку вологи з матеріалом, а швидкість їх розвитку для сталої зміни вологовмісту є прямопропорційною зміні градієнта вологості. Особливістю виникнення напружень у в’язкопружній області деформування є зміщення спектру максимальних значень на поверхні пиломатеріалів відносно максимальних значень у центральних шарах, спричинених нерівномірним розподілом пошарової вологості і залежністю часу досягнення максимальних значень від часу релаксації, які для фіксованих значень величин Ет і Ем пов’язані співвідношенням ( - швидкість зміни вологісних напружень). Збільшення значень густини зумовлює