Міністерство освіти і науки України

Український державний лісотехнічний університет

УДК 674.047

Кулешник

Ярко Федорович

Закономірності розвитку внутрішніх напружень при сушінні деревини як анізотропного тіла

Спеціальність 05.05.07 – машини та процеси лісівничого комплексу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2002

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Білей Петро Васильович, Український державний лісотехнічний університет, завідувач кафедри технології деревообробки та захисту деревини

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ханик Ярослав Миколайович, Національний університет "Львівська політехніка", кафедра хімічної інженерії і промислової екології

кандидат технічних наук Шикеринець Ігор Михайлович, заступник голови правління ВАТ завод оздоблення плит "Осмолода", с.м.т. Брошнів

Провідна установа: Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, кафедра механізації лісогосподарських робіт та лісоексплуатації, м. Київ

Захист відбудеться " 16 "квітня 2002 року о 14 годині 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.072.03 Українського державного лісотехнічного університету за адресою: 79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 103, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Українського державного лісотехнічного університету за адресою: 79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 101.

Автореферат розісланий " 14 " березня 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради __________________________ Б.В. Прокопович

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Визначення величини внутрішніх напружень в процесі сушіння деревини є складовою частиною актуальної проблеми дослідження напружено-деформівного стану в матеріалах і конструкціях, що виникають через температурно-вологісні зміни їх розмірів. Однією з найбільш важливих задач в технології сушіння деревини, від розв'язання якої залежать можливості інтенсифікації процесу, підвищення якості висушуваного матеріалу та запобігання його руйнуванню є організація ефективної системи контролю за напруженнями, що виникають. Використовувані на практиці методи випилювання силових і вологісних секцій не дають можливості визначити справжні модульні значення величин внутрішніх напружень, оскільки порушують цілісність матеріалу, руйнують реальну картину розподілу напружень в процесі сушіння і, як наслідок, призводять до перевитрат сировини. Проведені раніше фундаментальні та експериментальні дослідження з даної тематики не забезпечують своєчасного виявлення небезпечних напружень у висушуваних пиломатеріалах. У зв'язку з цим виникає потреба побудови математичної моделі процесу сушіння, котра би з певним рівнем адекватності відображала складний природний процес динаміки зміни вологості та розвитку внутрішніх напружень в процесі сушіння деревини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт УкрДЛТУ кафедр технології деревообробки і захисту деревини (ТД і ЗД) та обчислювальної техніки і моделювання технологічних процесів (ОТ і МТП) “Розробка теоретичних основ використання нетрадиційних джерел енергії у лісопромисловому комплексі” ДБ 25.07-97, державний реєстраційний номер 0197U000347.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення ефективності та поліпшення якості конвективного сушіння деревини на основі теоретичного обгрунтування закономірностей появи і розвитку внутрішніх напружень в заготовках як двовимірних тілах на першому етапі процесу.

Відповідно до поставленої мети вирішувались такі задачі:

·

· побудова різницевих схем для реалізації математичних моделей зміни вологості за перетином матеріалу та розвитку внутрішніх напружень у двовимірному анізотропному тілі за допомогою методу кінцевих різниць;

· розробка удосконаленого методу визначення напружень в процесі сушіння;

· розробка функціональної схеми зміни і регулювання режимних параметрів в процесі конвективного сушіння пиломатеріалів і заготовок.

Об'єктом дослідження є процес конвективного сушіння пиломатеріалів та заготовок на прикладі деревини твердих листяних порід (бук, дуб).

Предметом дослідження є вологісні напруження, що виникають на першому етапі процесу конвективного сушіння пиломатеріалів та заготовок на прикладі деревини твердих листяних порід (бук, дуб).

Методи дослідження. Для реалізації запропонованої математичної моделі, що описує процес переміщення вологи та розвитку плоского напруженого стану ортотропного тіла, у рамках теорії пружності використано метод кінцевих різниць, котрий дає можливість знаходження наближеного чисельного розв'язку поставленої задачі, інтерполяційні методи для обробки результатів досліджень, а також методику експериментального визначення зміни пошарової вологості та деформацій (усихання) деревини в процесі сушіння.

Наукова новизна одержаних результатів. Запропоновано (на основі експериментальних даних) рівняння початкового розподілу вологості в бруску деревини і розроблена фізико-математична модель зміни вологості та розвитку внутрішніх напружень в процесі сушіння деревини. На основі теорії різницевих схем обгрунтовано вибір та параметри методу кінцевих різниць (тип накладеної сітки, тип апроксимуючого шаблону, тип схеми, стійкість схеми) для пошуку наближеного розв'язку нестаціонарного рівняння в частинних похідних другого порядку параболічного типу. Вперше на базі теорії різницевих схем та запропонованої моделі зміни полів вологості отримано поверхню вологості по перерізу бруска (двовимірне тіло); отримані модельні регресійні рівняння залежності вологості від часу та координат (ширина, товщина); встановлені закономірності розвитку нормальних (sх, sy) та дотичних (txy) напружень, що виникають в першому етапі процесу сушіння заготовок твердих листяних порід.

Практичне значення одержаних результатів. Побудовані математичні моделі та їх реалізація через апарат різницевих методів дають можливість в будь-який момент часу процесу сушіння деревини одержувати значення вологості та напружень у довільній точці бруска, що дає підстави для організації поточного контролю напружень в процесі сушіння. Вперше запропоновано новий спосіб управління процесом конвективного сушіння деревини через контроль величини різниці між вологістю центральних і поверхневих шарів деревини, розрахунок внутрішніх напружень і визначення оптимального значення рівноважної вологості деревини (Wp=f(tc, j)).

Запропоновані способи та одержані з їх допомогою результати можуть розглядатись як основа для створення автоматизованих систем керування (АСК) процесом сушіння деревини за станом матеріалу. Результати роботи впроваджено на ВАТ Меблевий комбінат "Стрий".

Особистий внесок здобувача. Автором уточнено методику експериментального визначення зміни вологості та деформацій усихання деревини в процесі сушіння; проведені експериментальні дослідження зміни вологості і деформацій деревини бука і дуба в лабораторних та виробничих умовах з відповідною статистичною обробкою отриманих результатів; запропоновано рівняння початкового розподілу вологості в деревині як двовимірному тілі; на основі положень теорій вологопровідності та різницевих методів розроблено математичну модель процесу зміни вологості та розвитку вологісних напружень і алгоритм її реалізації; розроблено програмне забезпечення реалізації створеної математичної моделі на першому етапі конвективного сушіння деревини на прикладі твердих листяних порід (бук, дуб).

Апробація результатів. Матеріали досліджень доповідались і обговорювались на:

·

· 11 Konferencja Naukova Wydzialu Technologii Drevna. SGGW. Drewno– Material Ekologiczny, Warszawa 18-19 listopada 1997 р.;

·

Публікації. За результатами виконаних експериментальних і теоретичних досліджень опубліковано 7 статей у наукових фахових виданнях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та додатків. Матеріали дисертаційної роботи викладені на 184 сторінках, з яких основна частина викладена на 125 сторінках, містить 29 рисунків, 8 таблиць. В бібліографії наведено 110 найменувань. Додатки становлять 38 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику дисертації. Висвітлено актуальність теми, мету і завдання досліджень. Викладено наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів.

У першому розділі проаналізовано сучасні здобутки в області моделювання і контролю напружено-деформівного стану у висушуваному деревинному матеріалі. Визначено, що здійснювати процес конвективного сушіння пиломатеріалів (заготовок) без виникнення в них внутрішніх напружень, неможливо. Однак сушіння можна організувати так, щоб при достатній інтенсивності процесу зменшити внутрішні напруження, які є наслідком вологісних і залишкових деформацій, шляхом проведення вологообробок. Невизначеними є моменти, коли їх треба проводити і яка має бути тривалість для різного асортименту пилопродукції. Для цього потрібно розробити методи діагностики напружено-деформівного стану деревини в процесі сушіння і знаходження за результатами діагностики оптимальних значень параметрів середовища, яким відповідає певна рівноважна вологість. Зменшення кількості дефектів при сушінні є одним з елементів енергоощадності тому, що зменшує загальні втрати деревини.

Отже, в даному огляді проведено аналіз основних конвективних способів сушіння пиломатеріалів, встановлено основні тенденції створення режимів, виявлено їх позитивні та негативні аспекти, а також умови застосування. Показано взаємозв'язок всихання деревини з особливостями анатомічної будови і фізико-механічними властивостями деревини бука і дуба. Визначено природу виникнення і розвитку внутрішніх напружень при сушінні деревини та обгрунтовано використання числових (різницевих) методів, на базі яких можлива реалізація математичної моделі зміни вологості та розвитку внутрішніх напружень при сушінні деревини твердих листяних порід як анізотропного тіла, що дає можливість теоретично обгрунтувати зміни параметрів конвективного сушіння.

У другому розділі прийнята система початкових допущень, на підставі основного закону вологопровідності визначена крайова задача, тобто сформульовано рівняння вологопереносу для пиломатеріалів (заготовок) прямокутної форми, визначено умови тепломасообміну між поверхнею матеріалу і агентом сушіння, встановлено умови розподілу вологи в середині бруска у початковий момент часу та умови симетрії.

Поле вологовмісту на основі закону Фіка описується рівнянням вологопровідності, яке для матеріалу прямокутної форми при постійній температурі (t) та змінних коефіцієнтах вологопровідності (am, м2/с) має вигляд

, (1)

де U(x, y, t) – вологовміст; t– час, с; – значення коефіцієнтів вологопровідності у напрямку Х (по товщині) та Y (по ширині) бруска, м2/с; х, y – поточні координати по осі Ох (товщині) та Оу (ширині) бруска, м (знаходяться в межах , R1 – половина товщини бруска в напрямку осі Ох, R2 – половина ширини бруска в напрямку осі Оу).

Для розв'язання диференційного рівняння (1) необхідно сформулювати умови тепломасообміну між поверхнею матеріалу і агентом сушіння (граничні умови), умови розподілу вологи всередині бруска на початку сушіння (початкові умови), а також, з врахуванням форми бруска, встановити умови симетрії.

Початкова умова – початковий розподіл вологовмісту характеризує значення вологості матеріалу, що надходить для сушіння. Для задання початкової умови нами запропоновано рівняння

, (2)

де х, y – відстань від центра бруска, мм; WП ,WЦ – влогість на поверхні та в центрі бруска, %.

Гігроскопічний стан за теорією потоків тепла в тілі і біля його поверхні визначає граничні умови між об'єктом і агентом сушіння та описується рівняннями:

, (3)

де Up – рівноважний вологовміст; К – коефіцієнт сушіння; – середній вологовміст.

Умови симетрії описуються рівняннями:

. (4)

Очевидно, що в довільний момент часу вологість в бруску розподіляється нерівномірно. Тому виникає необхідність у введенні поняття середнього вологовмісту в бруску, який визначається з рівняння

. (5)

Для знаходження наближеного числового розв'язку рівняння (1) з умовами (2 –4) застосуємо теорію різницевих методів і замінимо диференційні рівняння (1–4) різницевими, використавши для цього центрально-різницевий, п'ятиточковий, регулярний, трьохшаровий шаблон:

(6)

, (7)

де m, n – кількість точок накладеної на переріз бруска сітки відповідно у напрямку Х (товщині) та Y (ширині), ; k – координата часу що змінюється з кроком l, с; h – відстань між вузлами сітки, м.

У результаті такої заміни та проведених обчислень ми отримали матрицю вологості для кожного часового значення k. Елементом такої матриці є знайдене значення вологості у відповідному вузлі сітки. Кількість таких матриць розмірності (mґn) залежить від розмірів бруска, вибраного шаблону, значень початкової та кінцевої вологості.

Серед загальних закономірностей механічної анізотропії деревини домінуюче значення має анізотропія пружності, яка для двоосьової задачі (без врахування довжини бруска) описується рівняннями:

(8)

де kх, ky – відповідно коефіцієнти всихання в напрямку осі Х та Y; м – коефіцієнт поперечної деформації (Пуасона); G – модуль зсуву (Н/м2);  – дотичні напруження, що діють на площини з нормаллю Х паралельно до осі Y; sx, sy, ex, ey – компоненти нормальних напружень і деформацій; г – кутові деформації; DW – функція зміни вологості за перетином матеріалу, DW=WТ.Н.-W(x,y).

Відоме рівняння для опису пружних деформацій бруска має вигляд:

, (9)

де ; (10)

; (11)

; (12)

F – функція напружень; – тангентальні і радіальні величини повного всихання.

Граничні умови при відсутності зовнішніх сил для рівняння (9) набудуть вигляду:

. (13)

Зв'язок між функцією напружень F і шуканими напруженнями виражається рівняннями:

. (14)

Для пошуку функції напружень F застосуємо вибраний шаблон тепер уже для заміни бігармонічного рівняння (9) та граничних умов (13) різницевими рівняннями. Викорставши для функції F(x,y) шаблон з різницевими схемами четвертого порядку, отримаємо:

(15)

де

.

Сформулюємо різницевий аналог граничних умов (13). Першому рівнянню цієї системи відповідають два різницевих рівняння (дві сторони – товщини перерізу бруска), де функція sх=0. Другому рівнянню – також два різницевих рівняння (дві сторони – ширини перерізу бруска), де функція sy=0, а третьому – чотири різницевих рівняння (чотири сторони периметру бруска), де функція txy=0.

Різницевий аналог граничних умов (13) набуде такого вигляду:

(16)

У нашому випадку розв'язування рівняння (15) з крайовими умовами (16) зводиться до розв'язування системи лінійних алгебраїчних рівнянь розмірності (mґn) виду

, (17)

де – матриця коефіцієнтів при невідомих; – шуканий вектор-стовпець значень напружень у вузлах сітки; – вектор-стовпець правих частин системи.

Запропонована математична модель (9) – (15) дозволяє розрахувати вологісні напруження у пружній області деформування деревини залежно від параметрів оточуючого середовища, фізико-механічних характеристик та розмірів заготовки.

У третьому розділі розглянуто методику проведення експериментальних досліджень пошарової вологості та коефіцієнтів деформації бука і дуба, а також методику обробки і аналізу експериментальних даних. За експериментальну установку прийнято лабораторну сушильну камеру конвективного типу з системою контролю і регулювання параметрів середовища та зважування зразків у процесі сушіння. Середня вологість заготовки визначається за формулою

, (18)

де n – кількість смужок; – вологість відповідної смужки, %; – товщина відповідної смужки, м.

Вологісні деформації є основними і значно більшими від температурних тому останні у дослідженнях не розглядаються. Зміна лінійних розмірів деревини відбувається тільки при зміні вологості в діапазоні від 0% до точки насичення – WТ.Н. (практично до W=35…40%). Всихання деревини у процесі її сушіння є причиною деформації, від якої залежать і величини внутрішніх напружень.

Відповідно до проведених дослідів отримано такі значення параметрів:

а) для дуба ; при показниках статистичної обробки для S=0.812 %;

б) для бука ; при показниках статистичної обробки для S=1.22%; .

Отримані дані призначені для знаходження значень коефіцієнтів всихання за формулою ki = bi,max / WT.H.:

а) для дуба: ky=0.268; kx=0.14; kо=0.413

б) для бука: ky=0.378; kx=0.186; kо=0.564

Розрахункове значення величини всихання визначається за виразами:

а) для дуба: вy=0.268?(WT.H.-WK),%; вx=0.14?(WT.H.-WK),%; (19)

б) для бука: вy=0.378?(WT.H.-WK),%; вx=0.186?(WT.H.-WK),%. (20)

Отже, при розробці методики і проведенні експериментальних досліджень враховувався вплив різноманітних факторів на перебіг процесів що вивчаються, визначались їхні раціональні значення у кількісних і якісних виразах.

У четвертому розділі побудовано алгоритм розрахунку напружено-деформівного стану при сушінні з врахуванням анізотропії деревини. Комплекс програм написано мовою програмування Pascal. Градієнт зміни вологості направлений з поверхневих шарів бруска у напрямку до центру і забезпечується залежностями, що описують крайові умови. Проведений на ПЕОМ ітераційний обчислювальний процес дає змогу змоделювати зміну вологості та виникнення вологісних напружень в часі. Отримані поля вологості дозволили апроксимувати функцію перепаду гігроскопічної вологості, значення якої надалі були використані для визначення плоских нормальних та дотичних напружень..

Рис. 1. Розподіл пошарової вологості в радіальному напрямку в процесі сушіння.

Бук 35 х 80 мм

За результатами експерименту, що проводився при таких параметрах сушіння: Wp=14 %, K=0.000234 с-1, температурі сухого термометра tc=63 °C, температурі змоченого термометра tm=59 °C, відносній вологості ц=0.82, am = 4.22·10-6 см2/с, отримані залежності розподілу пошарової вологості в радіальному (рис. 1) та тангентальному (рис. 2) напрямках.

Рис. 2. Розподіл пошарової вологості в тангентальному напрямку в процесі сушіння. Бук 35 х 80 мм

Визначальним критерієм рівня адекватності побудованої моделі розподілу вологості може служити крива зміни середньої вологості. Порівняльні криві (теоретична та експериментальна) зміни середньої вологості у певному діапазоні вологості при заданих параметрах сушіння подано на рис. 3.

Рис. 3. Експериментальна (а) та модельна (р) криві залежності середньої вологості від часу в бруску бука розмірами 35 х 80 мм

На основі математичної моделі отримано поверхню розподілу влогості в бруску в процесі сушіння (рис. 4).

Рис. 4. Розрахункова поверхня вологості для бруска бука при заданих параметрах сушіння: Wp=14%, K=0.234E-04, tc=63°C, tm= 59?C, ц=0.82

На підставі отриманих експериментальних даних показано динаміку зміни пошарових лінійних деформацій в радіальному та тангентальному напрямках.

Рис. 5. Діаграма пошарових лінійних деформацій (радіальний напрямок) в процесі сушіння. Бук 35ґ80 мм

Рис. 6. Діаграма пошарових лінійних деформацій (тангентальний напрямок) в процесі сушіння. Бук 35ґ80 мм

Як видно з діаграм (рис. 5 і 6), в центральній частині бруска лінійні деформації змінюють свій знак і стають від'ємними. Це означає, що при зміні значень середньої вологості в бруску від 40.5 до 21.0% в центральній частині бруска виникають напруження стиску, а на поверхні – напруження розтягу, що є наслідком швидшого видалення вологи з поверхневих шарів деревини, ніж з центральних.

Початкові дані для знаходження шуканих нормальних ух, уy і дотичних фxy напружень та побудови діаграм є такими: порода деревини – дуб; радіальне всихання вх0 =4%; тангентальне всихання вy0=7,8%; модуль пружності Ex=168,4 МПа; модуль пружності Ey=129,5 МПа; коефіцієнт поперечної деформації (Пуасона) мtr=0.3; густина абсолютно сухого матеріалу с0=650 кг/м3; середня вологість Wср=26%. Отримані діаграми плоских напружень в радіальному напрямку показані на рис. 7 і 8. Як видно з поданих на рис. 7 діаграм, дотичні напруженнями в центрі бруска є незначними, зате нормальні напруження ух та уy змінюються в межах від -2.5 до +4 МПа. Згідно з рис.8, на поверхні бруска в радіальному напрямку практично відсутні (їхні величини набувають значення порядку 1·10-12), напруження уy, та фxy, зате плоскі радіальні напруження ух досягають максимальних розтягуючих зусиль, що може загрожувати цілісності матеріалу.

Отримані діаграми напружень в будь-який момент часу процесу сушіння дають можливість визначити кількісну характеристику величини шуканих нормальних ух,,уy та дотичних фxy напружень, а отже, дозволяють шляхом зміни параметрів агента сушіння максимально інтенсифікувати сам процес сушіння і забезпечити якість висушуваного матеріалу при економії матеріальних та енергетичних ресурсів.

Рис. 7. Діаграма розподілу нормальних ух, уy та дотичних фxy напружень у центральному шарі бруска, радіальний напрямок. Дуб 30ґ80 мм

Рис. 8. Діаграма розподілу нормальних ух, уy та дотичних фxy напружень на поверхні бруска, радіальний напрямок. Дуб 30ґ80 мм

Умови проведення процесу сушіння, тобто режиму сушіння, який описується параметрами tc, j, w (w – швидкість потоку агенту сушіння) залежать від розмірів, форми і призначення деревинних матеріалів. При сушінні пиломатеріалів повинні забезпечуватись такі умови, щоб величина внутрішніх напружень не досягала границі міцності деревини [s] на розтяг.

Для порівняння між собою різних режимів за очікуваними кількісними і якісними показниками існують три критерії: жорсткості, ефективності і безпечності.

Критерій жорсткості характеризує інтенсивність випаровування в середовищі із заданим станом (tc, j, w ). Більш жорстким вважається режим, який забезпечує вищу інтенсивність (швидкість) сушіння, тобто більшу вологопровідність (am), котра в свою чергу залежить від режимних параметрів і властивостей деревини, та більші відповідні градієнти вологості. За рахунок режимних параметрів сушіння (tc та j) формуються відповідні значення рівноважної вологості (Wp1та Wp2), а за рахунок інтенсивності сушіння – значення вологості на глибині матеріалу (W1i та W2i).

Критерій ефективності характеризується відношенням тривалості сушіння однакового матеріалу різними режимами. Тобто тривалість одного режиму порівняно з іншим оцінюється відношенням тривалості процесів (t1/t2). Більш ефективним є той режим, який забезпечує більшу вологопровідність деревини (am) та відповідні відношення градієнтів вологості.

Критерій безпечності визначає, наскільки цей режим є для деревини безпечний від руйнування внутрішніми напруженнями. Величина цього критерію оцінюється відношенням границі міцності деревини [s] до максимальних напружень (smax), які виникають при сушінні, тобто відношення Б=[s]/smax завжди має бути більшим за одиницю.

Для лінійного випадку критерій безпечності режиму можна розрахувати за формулою

уmax=0.01?ki?E?(WT.H.-Wi), (21)

де kі – коефіцієнт всихання для визначеного напрямку відносно волокон; Wі – вологість матеріалу на глибині і-го шару; Е – миттєвий модуль пружності (залежить від породи, температури та вологості деревини); величина WT.H.-Wi=DWГ.

Якщо коефіцієнт безпечності режиму (Б) дорівнює одиниці (коли Б=1; smax=[s] ), то раціональне значення рівноважної вологості WP визначається за співвідношенням:

. (22)

Враховуючи, що мінливість механічних показників деревини, за Б.Н.Уголевим, може мати величину 16...24%, значення коефіцієнта безпечності слід приймати Б=1.2 ... 1.3. Отримана залежність (22) є ключовою в розробці функціональної схеми автоматизації сушильних камер, де на основі інформації від давачів вологості деревини мікропроцесором (МПр) проводиться розрахунок деформацій, що виникають в процесі сушіння пиломатеріалів і заготовок, а за їхніми значеннями – і величини внутрішніх вологісних напружень. На підставі порівняння з уже відомими допустимими напруженнями (для конкретної породи) знаходять за нерівністю (22) оптимальне значення рівноважної вологості WP, а отже, і оптимальні значення параметрів середовища (адже Wp=f(tc, ц)). На основі порівняння інформації про стан середовища за сухим і змоченим термометром (ПС) із знайденими оптимальними параметрами (t, ц), що передаються на блок-задатчик (БЗ), формується регулююча дія через блок-реле (БР) або через кнопки керування (КУ) на відповідні виконавчі механізми і регулюючі органи (рис.9).

аким чином, функціональна схема автоматизації сушильних камер стає замкнутою і досконалішою за сучасні схеми, де зворотний зв'язок здійснюється тільки за значеннями середньої вологості в штабелі пиломатеріалів.

Рис. 9. Функціональна схема автоматизації сушильних камер: 1 – корпус сушильної камери; 2 – калорифер; 3 – витяжний канал; 4 – приточний канал; 5– вентилятор; 6 – штабель; 7 – давачі вологості деревини; 8 – зволожувальна трубка; 9 – термометри

Отже, вперше запропоновано принцип побудови раціональних режимів сушіння – зміни параметрів середовища за величиною внутрішніх напружень, що виникають в деревині в процесі сушіння.

ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Визначення величини внутрішніх напружень в процесі сушіння деревини є складовою частиною актуальної проблеми дослідження напружено-деформівного стану в матеріалах і конструкціях, що виникають через температурно-вологісні зміни їх розмірів. Проведені раніше теоретичні та експериментальні дослідження з даної тематики не забезпечують своєчасного виявлення небезпечних напружень у висушуваних пиломатеріалах.

2. Вперше сформульовано на основі експериментальних досліджень пошарової вологості аналітичну залежність (рівняння параболоїда) початкового розподілу вологості від координат у бруску деревини (бук, дуб), яка дозволяє визначити вологість в будь-якій точці зразка W(x, y, t)t=0 за даними вологості поверхневих (Wп) та центральних шарів (Wц).

3. Уточнено експериментальні значення коефіцієнта всихання (тангентального – ky, радіального – kx, об'ємного – ko) для дуба: ky=0.268; kx=0.14; ko=0.413 та для бука: ky=0.372; kx=0.186; ko=0.564, котрі надають можливість дослідження лінійних поздовжніх радіальних (ex) та тангентальних (ey) деформацій при одноосьовому напруженому стані.

4. Побудована на основі рівняння вологопровідності математична модель (з певними допущеннями) розподілу і зміни вологості в процесі сушіння та розвитку внутрішніх вологісних напружень на прикладі деревини твердих листяних порід (бук, дуб), яка включає такі величини: породу деревини, коефцiєнт вологопровiдностi матеріалу (am), коефiцiєнт сушiння матеріалу (К), товщину (R1) та ширина (R2) матерiалу, рiвноважну вологість матеріалу (Wр), температуру агента сушiння (tс), початкове значення вологостi на поверхні (Wп) та в центрі (Wц) матеріалу, вологiсть точки насичення волокна матеріалу (WT.H.), густину абсолютно сухого матеріалу (r0), модуль зсуву (G), модуль пружності (E) та коефіцієнти поперечної деформації Пуассона (м) конкретної породи деревини.

5. Розроблений на основі запропонованої моделі та теорії різницевих схем алгоритм, розрахунку полів вологості і напружень дає можливість в будь-який момент часу процесу сушіння деревини встановити чисельні значення нормальних sх, sy та дотичних txy напружень і передати відповідну інформацію на мікропроцесор чи до оператора, які використовують отриману інформацію для керування процесом сушіння, тобто впливу через відповідні виконавчі механізми і робочі органи на параметри середовища (tс, j). Вперше запропоновано принцип побудови режимів сушіння, тобто зміни параметрів середовища, за величиною внутрішніх напружень, що виникають в деревині в процесі сушіння.

6. Розроблено практичні рекомендації щодо розрахунку величини внутрішніх напружень в процесі сушіння деревини як двовимірного тіла через зміну параметрів середовища та зміну деформацій за величиною лінійного (в радіальному і тангентальному напрямку відносно волокон) всихання. Визначено доцільність застосування різних режимів сушіння твердих листяних порід (бук, дуб) за величиною внутрішніх вологісних напружень. Порівнюючи отримані результати з відомими даними границі міцності слід відзначити, що за величиною тангентальних напружень придатні для сушіння деревини тільки режими, які застосовує фірма "Hildebrand". Стандартні режими, які регламентовані державними стандартами (ГОСТ 19773-84) та керівними технічними матеріалами з технології камерного сушіння деревини, не дають належної якості сушіння тому, що напруження, які виникають в деревині, перевищують границю міцності в тангентальному напрямку.

7. Практична реалізація математичної моделі розвитку внутрішніх напружень для умов ВАТ "Меблевий комбінат "Стрий" дозволяє знизити технічний брак в процесі сушіння пиломатеріалів і заготовок твердих листяних порід на 5…12%, що дає змогу отримати економічний ефект 20…60 грн. на 1м3 висушуваного матеріалу від зниження собівартості процесу сушіння та збереження цілісності матеріалу.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Білей П.В., Басюк І.М., Зарева Ю.І., Кулешник Я.Ф. Сучасний стан техніки та технології сушіння пиломатеріалів// Науковий вісник. – Львів: УкрДЛТУ. – 1997, вип. 7. – С. 88–91.

2. Кулешник Я.Ф. Використання апарату різницевих методів для розв'язування задач, пов'язаних з сушінням деревини// Науковий вісник. – Львів: УкрДЛТУ. – 1999, вип. 9.3. – С. 150–152.

3. Кулешник Я.Ф. К випросу о построении математической модели исследования напряжений, возникающих при сушке древесины// Междун. науч.-техн. конф. "Лес – экология и ресурсы", 17–18 нояб. / Бел. гос. технол. ун-т. –1998. – С. 224– 228.

4. Білей П.В., Зарева Ю.І., Басюк І.М., Кравець І.П., Кулешник Я.Ф. Створення енергоощадної технології сушіння пиломатеріалів// Науковий вісник. – Львів: УкрДЛТУ. – 2000, вип. 9.11. – С. 189–191.

5. Bilej P., Kuleshnyk Y. Development of internal stresses in process of wood drying. – 11 Konferencja Naukova Wydzialu Technologii Drevna. SGGW. Drewno–Material Ekologiczny, Warszawa, 1997. – P. 335–336.

6. Білей П.В., Кулешник Я.Ф. Дослідження напружень, котрі виникают при сушінні деревини, що має форму бруска// Проблеми та перспективи розвитку технології деревообробки. (Матеріали 50-ї науково-технічної конференції викладачів, аспірантів та співробітників факультету технології деревообробки УкрДЛТУ). – Львів: УкрДЛТУ. –1998. – С.41–42.

7. Кулешник Я.Ф., Ганцюк В.М. Дослідження повних поверхневих напружень, що виникають при сушінні букових заготовок// Науковий вісник. – Львів: УкрДЛТУ. – 2000, вип. 9.13. – С. 75–78.

АНОТАЦІЇ

Кулешник Я.Ф. Закономірності розвитку внутрішніх напружень при сушінні деревини як анізотропного тіла. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.07 – машини та процеси лісівничого комплексу. – Український державний лісотехнічний університет, Львів, 2001.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково – технічної задачі визначення закономірностей розвитку внутрішніх напружень в процесі сушіння деревини як анізотропного тіла. У роботі на базі основного рівняння вологопровідності з використанням апарату різницевих методів апроксимовано по часу та координатах рівняння перепаду гігроскопічної вологості. Знайдена залежність добре узгоджується з проведеними експериментальними дослідженнями, що дало підстави для її використання при визначенні плоских нормальних і тангентальних вологісних напружень. Визначені в процесі сушіння напруження дозволяють динамічно, через контроль критичного перепаду вологості (WT.H.-WP), тобто через зміну параметрів агента сушіння (tc,ц), забезпечувати контроль вологісних напружень в деревині на першому етапі сушіння і забезпечити, таким чином, підвищення якості висушуваного матеріалу.

Ключові слова: деревина, вологовміст, деформації, вологісні напруження, математична модель, процес сушіння.

Кулешник Я.Ф. Закономерности развития внутренних напряжений при сушении древесины как анизотропного тела. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.07 – машины и процессы лесного комплекса. – Украинский государственный лесотехнический университет, Львов, 2001.

Диссертация посвящена решению актуальной научно – технической задачи определения закономерностей развития внутренних напряжений при сушении древесины как анизотропного тела. В работе на базе основного уравнения влагопроводности сформулирована краевая задача, определены начальные условия и система начальных допущений. Проведены экспериментальные исследования послойной влажности, а также коэффициентов деформации для заготовок бука и дуба. С целью получения не только качественной, но и количественной оценки возникающих напряжений показана необходимость использования адекватных математических моделей, основанных на дифференциальных уравнениях в частных производных. Обосновано выбор трехслойного пяти-точечного шаблона и замены непрерывных значений влажности – дискретными. Используя аппарат теории разностных методов (метод конечных разностей), разработан алгоритм и построен итерационный процесс расчета влажностных полей на узлах сетки, наложенной на сечение материала. Проведена линейная аппроксимация по времени и координатам уравнения перепада гигроскопической влажности. Впервые получена поверхность распределения влажности по координатам в процессе сушки. Найденная зависимость хорошо согласуется с проведенными экспериментальными исследованиями, которые дали основания к ее использованию при определении плоских нормальных и тангентальных влажностных напряжений.

Для решения задачи определения плоских упругих напряжений (решается двухмерная задача без учета длины заготовок) предложено решение неоднородного уравнения в частных производных четвертого порядка относительно функции напряжений (функция Эри). Использование разностных схем четвертого порядка в этом случае приводит к решению системы линейных алгебраических уравнений, размер которой зависит от выбранного шаблона. Определенные в процессе сушки напряжения позволяют посредством контроля перепада критической влажности (WТ. H. -WР), то есть через изменение параметров агента сушения (tс, ц), обеспечивать постоянный контроль влажностных напряжений в древесине и, соответственно, качество высушиваемого материала.

Ключевые слова: древесина, влагосодержание, деформации, влажностные напряжения, математическая модель, процесс сушки.

Kuleshnyk Ya.F. Regularities in the development of inner stresses in the process of drying the wood as an anisotropic body. – Manuscript.

Theses for acquiring the academic degree of the candidate of technical sciences by specialty 05.05.07 – machinery and processes of forest industry.

The theses deal with the scientific and technical problem of studying the regularities in the development of inner stresses in the process of drying the wood as an anisotropic body. On the basis of main equation for moisture conductivity the dependence of hygroscopic moisture with respect to time and coordinates was enumerated by means of finite differences technique and equations of mathematics models were obtained. The results proved to be in good agreement with experimental data allowing those models to be used for determining the flat normal and tangential moisture-based stresses.

The stresses that are determined in the drying process allow for dynamic controlling of moisture-based stresses on the first stage of drying. This is achieved by monitoring of critical moisture differential (WT.H.-WP), i. e. through the change of drying agent parameters (tc, ц). As a result the better quality of drying wood is being assured.

Key words: wood, moisture, deformation, stresses, mathematical model, process of drying.

Підп. до друку 07.03.02. Формат 60ґ84/16. Папір офсетний. Друк офсетний. Ум. др. арк. 1.00. Ум. фарбо-відб. 1.25. Облік.-вид-арк. 1.13. Тираж 100 прим. Зам. № 75/2002

Видавець: Редакційно-видавничий центр УкрДЛТУ 79057, м. Львів, вул. Генерала Чупринки, 103 тел./факс. (0322) 97-17-65