Снимаем внутренние напряжения в древесине

Сушильные камеры

Как мы уже писали в прошлых номерах, многие интересные идеи, которые были высказаны на конференции «Сушка древесины» в 1975 году, нашли свое применение только сегодня. С наиболее интересными предложениями, озвученными на этой конференции, мы знакомим наших читателей на страницах ЛПИ при поддержке российской компании − производителя сушильных камер «Вакуум-Плюс». В предыдущем журнале № 5 (36) говорилось о перспективах повышения производительности камер путем совершенствования технологии сушки. В текущем номере речь пойдет о такой проблеме, как возникающие в процессе сушки внутренние напряжения в древесине и методах их контроля. Автор тезисов − Б. Н. Уголев, д.т.н., профессор МГУЛ.

Напряженно-деформированное состояние древесины при сушке было предметом исследований очень многих специалистов. Как известно, при стабильных параметрах окружающей среды в начале процесса сушки растягивающие напряжения в поверхностных зонах материала возрастают, достигают максимума, затем уменьшаются до нуля, а далее появляются так называемые «сжимающие напряжения». Одновременно по мере снижения влажности древесины возрастает ее прочность. Зная об этих свойствах древесины, можно плавно или ступенчато ужесточать режим сушки для сокращения продолжительности данного процесса.

Стандартизованные режимы сушки, разработанные МЛТИ (ныне МГУЛ. − прим. ред.) предусматривают трехступенчатое изменение состояния сушильного агента.

Режимы эти координированы по средней влажности материала − показателю, который сравнительно легко контролировать. Но между средней влажностью доски и возникшими в ней напряжениями нет достаточно тесной связи. Поэтому дополнительно, особенно при сушке толстых пиломатериалов из древесины трудносохнущих пород, характер напряженного состояния пиломатериалов оценивают по периодически вырезаемым силовым секциям. Однако такой метод контроля трудоемок и дает представление лишь о примерной величине напряжений.

В 60‑х гг. специалисты МЛТИ предложили вести непрерывный контроль за напряженным состоянием материала по дифференциальной усадке (то есть перепаду усадки), измеряемой в краевых и центральной точках кромки доски. В МЛТИ был проведен целый комплекс теоретических и экспериментальных исследований, связанных с разработкой этого метода.

Для установления количественных связей между дифференциальной усадкой и напряжениями в пиломатериалах был использован «метод конечных элементов». Расчеты плоского напряженного и деформированного состояния пиломатериалов, выполненные данным методом на компьютере, позволили учесть такие важные особенности древесины, как эффект «перерождения» деформаций, увеличение жесткости при разгрузке (из-за исключения остаточных деформаций) и др. Мы получили эпюры нормальных и касательных напряжений по ширине и толщине доски по время сушки в стадии роста напряжений и при последующем их снижении (разгрузке). На стадии разгрузки растягивающие напряжения у самой поверхности доски оказываются меньшими, чем на некотором удалении от нее. При такой эпюре напряжений зубцы силовых секций загибаются внутрь или остаются прямыми, что приводит к ошибочным заключениям о наличии сжимающих напряжений или об их отсутствии.

В результате проведенного анализа мы удостоверились, что дифференциальная усадка была верно выбрана в качестве контролируемого параметра. Доказать это несложно.

Зависимость дифференциальной усадки от времени имеет характерную точку максимума, в области которой напряжения интенсивно снижаются. Величина дифференциальной усадки не зависит от ширины материала. Ее можно измерить датчиками сравнительно невысокого класса точности. Контролируя дифференциальную усадку, можно определить подходящий момент перехода на более жесткую ступень режима сушки, не измеряя заранее начальную влажность материала.

Для различных материалов мы установили переходные значения дифференциальной усадки при использовании стандартных режимов сушки пиломатериалов в камерах периодического действия. При этом учли соотношения между возрастающими при ужесточении режима напряжениями и прочностью материала при данной влажности.

Подтвердили целесообразность применения трехступенчатых режимов для сушки хвойных (еловых, сосновых) пиломатериалов толщиной 40 мм и более. Для таких пиломатериалов при регулировании процессов по величине дифференциальной усадки необходимо зафиксировать момент достижения максимума, и после снижения этой величины на 5% перейти с первой на вторую ступень стандартного режима сушки.

На втором этапе сушки происходит новый рост величины дифференциальной усадки, а затем − ее спад. В этот момент, когда приращение дифференциальной усадки окажется равным нулю, следует перейти на третью ступень режима сушки. Анализирующая аппаратура должна воспринимать сигналы от отдельных датчиков о двух критических точках функции дифференциальной усадки по времени.

При сушке тонких пиломатериалов толщиной 25 мм и менее достаточно зафиксировать одну критическую точку, соответствующую снижению дифференциальной усадки от максимального значения на 25% при форсированном режиме и на 20% − при нормальном режиме сушки. После того как эти значения будут достигнуты, можно сразу переходить на третью, последнюю ступень режима сушки. Таким образом, при сушке тонких пиломатериалов двухступенчатые режимы более эффективны и удобны.

Для дистанционного контроля дифференциальной усадки было разработано несколько конструкций датчиков, а это сделать было непросто.

Проблема в том, что измерительный узел датчика крепится на усыхающем и коробящемся материале, а при эксплуатации датчик находится в среде с повышенной температурой и влажностью, может подвергаться сотрясениям при транспортировке штабеля и т.д. В итоге все же появились датчики, в которых эти проблемы были решены. В качестве чувствительного элемента в них использован индуктивный преобразователь перемещений. Вторичная аппаратура включает приборы ИД-2И и самопишущий потенциометр.

Одна из наиболее совершенных конструкций датчика отличается от прежних типов большей устойчивостью, меньшими габаритами, возможностью крепления в прикромочной области доски, находящейся в штабеле. Для датчика предусмотрен специализированный электрический преобразователь с унифицированным выходным сигналом.