УДК 674.815

Автореферат

Прогнозування міцності та обґрунтування оптимальних параметрів процесу пресування деревинностружкових плит

Козак Руслан Олегович

Львів - 2000

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Бехта Павло Антонович, Український державний лісотехнічний університет, завідувач кафедри хімічної технології переробки деревини і безпеки життєдіяльності.

Офіційні опоненти:

Козак Р.О. Прогнозування міцності та обгрунтування оптимальних параметрів процесу пресування деревинностружкових плит. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.07. - машини та процеси лісівничого комплексу. - Український державний лісотехнічний університет, Львів, 2000.

Дисертація присвячена питанням прогнозування міцності ДСП та оптимізації технологічних факторів її виготовлення. В роботі розроблено математичні моделі міцності ДСП на статичний згин, її міжстружкової пористості та коефіцієнта ущільнення стружки, проаналізовано зміну щільності деревинних частинок під впливом вологості в технологічному процесі даного виробництва. В рамках роботи проведено дослідження міцності деревинних частинок на статичний згин, величини спресування деревини та здійснено експериментальну перевірку адекватності моделі міцності ДСП на статичний згин. Створено техніко-економічну модель розрахунку технологічних параметрів виготовлення ДСП із заданими міцнісними показниками. Розраховані оптимальні режимні параметри для стандартних товщин плит при різних щільностях деревинної сировини з отриманням максимального прибутку від їх реалізації і забезпеченням міцнісних показників згідно стандартів України.

Ключові слова: деревинностружкова плита, міцність, структура, спресування, міжстружкова пористість, модель, оптимальні параметри.

Козак Р.О. Прогнозирование прочности и обоснование оптимальных параметров процесса прессования древесностружечных плит. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.07 - машины и процессы лесного комплекса. Украинский государственный лесотехнический университет, Львов, 2000.

Диссертация посвящена вопросам прогнозирования и оптимизации технологических факторов изготовления древесностружечных плит (ДСтП).

Важным моментом в определении перспектив изготовления ДСтП является дальнейшая математизация исследований и выявление количественных закономерностей формирования их прочности на основе моделирования и аналитических исследований, а также уменьшение материалоемкости без ухудшения физико-механических свойств.

В работе древесностружечные плиты рассмотрены как сложный структурный материал, а их прочность как структурно-механическая характеристика, зависящая от технологических особенностей изготовления плит.

Сделан анализ оптимизационных технико-экономических моделей композиционных материалов. Выявлено отсутствие системного подхода к выбору оптимальных параметров ДСтП, которые б удовлетворяли условия технологии изготовления, дальнейшего использования и уменьшения стоимости материала.

Используя модель прочности композиционных материалов, создано модель прочности ДСтП, которая учитывает дискретный характер материала и объединяет параметры сырья, материалов, режима прессования и готовых плит, что позволяет определять величину прочности, не разрушая при этом готовых плит и прогнозировать ее соответственно значениям исходных параметров.

Определено такие структурные параметры ДСтП как межстружечная пористость и коэффициент уплотнения стружки в плите, математически описана зависимость плотности древесного сырья от изменения содержания влаги в нем во время технологического процесса изготовления плит. Создано программное обеспечение для расчета этих показателей на ЭВМ.

На основе экспериментальных исследований получена зависимость прочности плоской стружки от ее плотности. В результате исследований выявлено отличие между прочностью массивной древесины и стружки, а именно прочность стружки уменьшается с увеличением ее плотности, тогда как массивной древесины - увеличивается. При этом с увеличением плотности древесины и стружки разница между значениями прочности возрастает.

Экспериментальные исследования спрессования древесных частиц позволили определить влияние влажности и условной плотности древесины, температуры и давления прессования на его величину и получить уравнение зависимости коэффициента спрессования от этих факторов.

На основе анализа полученных результатов исследования прочности древесных частиц и величины их спрессования подтверждены практические рекомендации относительно приоритетного использования низкоплотных пород в производстве ДСтП.

Проверка предложенной модели прочности на адекватность проводилась экспериментально, что с достаточной мерой достоверности и точности показала, что результаты модели отображают прочность древесностружечных плит. Создано программное обеспечение для неразрушающего контроля этой прочности.

Проведено анализ эффективности использования сырьевых материалов при обеспечении требований к качеству ДСтП на основе разработанной технико-экономической модели их производства. Использование данной модели дает возможность обосновать технологический режим изготовления ДСтП с заданными физико-механическими характеристиками и обеспечить высокий технико-экономический эффект. Используя квазиньютоновскую модификацию метода линеаризации, получено оптимальные режимные параметры процесса прессования ДСтП для обеспечения максимального дохода от их реализации.

Ключевые слова: древесностружечная плита, прочность, структура, спрессование, межстружечная пористость, модель, оптимальные параметры.

Коzak R.O. Foresight of strength and substantiation of optimal parameters of process of pressing particleboards. - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical sciences degree, speciality 05.05.07. - Machines and processes of the forest complex. - Ukrainian State University of Forestry and Wood Technology, Lviv, 2000.

The thesis is dedicated to problems of foresight of particleboards strength and optimization of technology factors of its manufacturing. The mathematical models of strength particleboards on a static bending, its porosity between particles and the factor of particles' seal were designed. The density change of wood fragments under influence of damp in manufacturing process of the production was conducted. The researches of wood particles strength on a static bending and values compression of wood within the framework of activity were conducted. The experimental check of adequacy of model of strength particleboards on a static bending is carried out. The technical and economic model of calculation of technological parameters of manufacturing particleboards from given strength parameters was created too. The optimal regime parameters at different density of wood raw for all its of thicknesses with obtaining of the maximum income from implementation and maintenance of strength parameters under the standards of Ukraine were also calculated.

Keywords: particleboard, strength, structure, compression, between particles porosity, model, optimal parameters.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Важливим моментом у визначенні перспектив виготовлення деревинностружкових плит (ДСП) є подальша математизація досліджень і виявлення кількісних закономірностей формування їх міцності. На сьогоднішній день відсутній поглиблений математичний аналіз процесів структуротворення і руйнування ДСП. Чисто експериментальні методи пошуку і відпрацювання режимів стають неприйнятними.

Недостатня кількість досліджень, які б розкривали механізм формування міцнісних властивостей ДСП, не дозволяє визначити роль технологічних факторів, параметрів сировини і клейових матеріалів, розкрити ступінь їх впливу на якість цієї плити та знайти кількісні і якісні характеристики для одержання найбільшої міцності.

Відсутній контроль міцності без втрат готового виробу, який можливо здійснювати тільки при наявності аналітичних залежностей між якісними показниками готової плити, її параметрами та умовами виготовлення і, на основі цих залежностей, програмного забезпечення, яке дозволить проводити аналітичні дослідження і пошук режимів пресування максимально наближених до оптимальних. Необхідні науково обґрунтовані рекомендації щодо розробки цих режимів.

Деревинностружкова плита із заданими фізико-механічними характеристиками повинна мати оптимальні техніко-економічні показники виробництва. Важливим завданням у виробництві ДСП є зменшення матеріаломісткості плит без погіршення їх фізико-механічних властивостей.

Отже, на основі наведених аргументів, вирішення завдань прогнозування міцності та обґрунтування оптимальних параметрів процесу пресування ДСП є своєчасним і актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації є розділом наукового напряму кафедри хімічної технології переробки деревини і безпеки життєдіяльності з проблеми: "Вдосконалення неруйнівних методів контролю якості деревини і деревинних матеріалів".

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка методу прогнозування міцності деревинностружкових плит за параметрами технологічного процесу та обґрунтування оптимальних значень цих параметрів.

Відповідно до поставленої мети потрібно вирішити наступні завдання дослідження:

- розробити математичну модель міцності ДСП, яка встановлювала б зв'язок між технологічними і структурними параметрами їх виготовлення та експериментально перевірити її адекватність;

- експериментально визначити міцність деревинних частинок як основного армувального елемента ДСП;

- отримати залежності щільності деревинної сировини від її вологості в процесі виготовлення ДСП, міжстружкової пористості і коефіцієнта об'ємної щільності вкладання частинок від режимних параметрів цього процесу;

- дослідити вплив виду сировини і технологічних параметрів на ступінь спресування деревинних частинок;

- розробити техніко-економічну модель процесу виготовлення ДСП для визначення умов отримання міцних плит з мінімальними матеріальними витратами та на її основі знайти оптимальні значення параметрів цих плит, встановивши при цьому взаємозв'язок між умовами отримання ДСП, з одного боку, і кінцевими міцнісними властивостями плит з другого.

Об'єктом дослідження є технологічний процес виготовлення деревинностружкових плит.

Предмет дослідження - міцність деревинностружкової плити та параметри технологічного процесу її виготовлення.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі застосовано ряд методів. Зокрема, під час проведення експериментальних досліджень використано методи вимірювання: стереометричний - для визначення щільності деревини; пікнометричний - для визначення щільності стружки; сушильно-ваговий - для замірів вологості деревинних частинок. Дослідні зразки ДСП виготовлено методом плоского пресування, а для зменшення системних похибок під час проведення дослідів застосовано метод рандомізації. Обробку експериментальних даних, зокрема оцінку значущості коефіцієнтів і перевірку адекватності математичних моделей, проведено методом статистичного аналізу. Розв'язок оптимізаційного завдання отримано методом лінеаризації.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у створенні нової моделі міцності ДСП, що враховує дискретний характер матеріалу, поєднує параметри сировини, матеріалів, режиму пресування та готових плит і розробці на її основі методу прогнозування цієї міцності. Встановлено аналітичну достовірність залежностей щільності деревинної сировини від кількості вологи під час технологічного процесу виготовлення ДСП, міжстружкової пористості і коефіцієнта об'ємної щільності вкладання частинок від параметрів цього процесу. Вперше експериментально досліджено міцність деревинних частинок на статичний згин. Методом чисельного експерименту з'ясовано та математично описано вплив умовної щільності та вологості деревини, тиску і температури пресування на коефіцієнт спресування деревинного пакета. Розроблено техніко-економічну модель виробництва ДСП та обґрунтовано оптимальні параметри процесу їх пресування.

Практичне значення одержаних результатів. Визначено такі структурні параметри ДСП, як міжстружкова пористість і коефіцієнт ущільнення стружки в плиті, складені алгоритм, програма та номограма для їх визначення. Отримано регресійні залежності коефіцієнта спресування стружкового пакета від умовної щільності деревини, її вологості, тиску та температури пресування, а також міцності деревинних частинок при статичному згині від їх щільності. Дані залежності можуть бути використані в технологічних розрахунках, пов'язаних з виготовленням ДСП.

Виведена і експериментально перевірена математична модель міцності ДСП на статичний згин дає змогу, не руйнуючи плит, визначати їх міцність за параметрами сировини, матеріалів і режиму пресування. Складено програму неруйнівного методу визначення міцності ДСП на статичний згин, яка прийнята для впровадження в лабораторіях Костопільського ДБК, про що складений відповідний акт № 11 від 21.07.99 р.

Створено техніко-економічну модель розрахунку технологічних параметрів виготовлення ДСП із заданою міцністю та оптимальних значень цих параметрів для отримання максимального прибутку від реалізації продукції. Модель дозволяє прогнозувати міцність ДСП і прибуток підприємства від їх реалізації при зміні параметрів сировини, матеріалів та технологічних режимів і може бути використана на заводах з виготовлення ДСП для коректування режимів пресування і організації виробництва плит.

Розраховано оптимальні режимні параметри виготовлення ДСП стандартних товщин для різних щільностей деревинної сировини з умовою отримання максимального прибутку від реалізації плит та забезпечення їх міцності згідно стандартів України. Розроблені режими використані для виготовлення дослідної партії плит на Костопільському ДБК (акт № 12 від 23.07.99 р. про впровадження результатів науково-дослідної роботи).

Особистий внесок здобувача. Автором проведено огляд та аналіз літературно-інформаційних джерел щодо моделювання властивостей композиційних матеріалів і зокрема ДСП [2]; розроблено модель міцності ДСП на статичний згин [7], математично описано міжстружкову пористість [8], коефіцієнт ущільнення деревинних частинок в готовій плиті [4] та зміну щільності деревинних частинок під впливом вологи в процесі виготовлення ДСП [6]; здійснено планування і проведено експериментальні дослідження та аналіз їх результатів; створено регресійні моделі міцності деревинних частинок [1], коефіцієнта спресування деревинних частинок [5] та міцності ДСП на статичний згин [7]; розроблено програму для отримання оптимальних параметрів ДСП [3]; здійснено впровадження методологічних і режимних розробок на виробництві; зроблено висновки щодо результатів дисертаційної роботи та подано рекомендації їх практичного застосування.

Апробація результатів роботи. Матеріали роботи доповідались і обговорювались на:

- XII симпозіумі "Pokroky vo vyrobe a pouziti lepidiel v drevopriemysle" в м. Зволен (Словаччина) 1995;

- наукових семінарах факультету технології деревообробки і кафедри хімічної технології переробки деревини та безпеки життєдіяльності Українського державного лісотехнічного університету, м. Львів, 1998-1999;

- міжнародній конференції "Лес - экология и ресурсы", м. Мінськ (Біларусь), 1998;

- міжнародній науково-практичній конференції "Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины", м. Воронеж (Росія), 2000.

- розширеному засіданні кафедри хімічної переробки деревини і безпеки життєдіяльності Українського державного лісотехнічного університету, м. Львів, 2000.

За цими матеріалами опубліковано 8 наукових статей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку використаної літератури, який містить 107 найменувань, і 8 додатків. Основний зміст роботи викладений на 109 сторінках друкованого тексту, що включає в себе 26 рисунків і 8 таблиць. Загальний обсяг дисертації - 175 сторінок.

Зміст та основні результати роботи

У вступі дана загальна характеристика роботи: обгрунтована актуальність теми, визначені мета і завдання досліджень, показані наукова новизна і практична цінність роботи, наведено особистий внесок здобувача.

У першому розділі висвітлено стан питання щодо структури та властивостей деревинностружкових плит. Встановлено, що структура ДСП диференційована на різні рівні: макро-, мікро-, і субмікроскопічний, а властивості ДСП, в основному, визначаються зміною макроструктури.

Розглянуто вплив на фізико-механічні показники ДСП параметрів складових та режимних факторів технологічного процесу їх виготовлення, тому що формування властивостей ДСП - це синтез прояву компонентами плит механічних, фізико-хімічних і реологічних властивостей та створення умов для поєднання властивостей цих компонентів у єдину систему.

Проаналізовано техніко-економічні моделі композиційних матеріалів та подібних матеріалів з дисперсним середовищем.

Структурний аналіз сучасного стану питання прогнозування міцності ДСП і технологічного процесу їх виготовлення дозволяє зробити наступні висновки:

- ДСП - матеріал, який поєднує окремі компоненти в єдину систему, має певну структуру, знання про яку знаходяться у фрагментарному стані. Структуру ДСП не можна охарактеризувати окремими структурними параметрами. Зрозумілою вона може бути тільки у випадку, якщо встановити зв'язок між цими параметрами.

- просторовий фактор є домінуючим у структуротворенні ДСП. Визначенню ж міжстружкової пористості плити уваги приділено недостатньо. Для пористості відсутні математичні залежності, які б описували зв'язки її з вихідними характеристиками сировини, матеріалів і параметрами технологічного процесу виготовлення ДСП.

- формування міцнісних властивостей ДСП суттєво залежить від значної кількості факторів, які можна розділити на компонентні і технологічні. Деякі з цих факторів, такі як міцність деревинних частинок, їх деформативність в процесі пресування, досліджені не достатньо. Знання про них суперечливі.

- незважаючи на всебічне дослідження властивостей ДСП та існування методів їх досліджень, немає розробленого неруйнуючого методу визначення межі міцності ДСП на статичний згин, який базувався б на математичних залежностях і визначав би ступінь впливу того чи іншого фактора на дану межу міцності.

- розглянуті математичні та техніко-економічні моделі системно не розглядають питання оптимального вибору параметрів ДСП, які б задовільняли умови технології виготовлення, подальшого використання і зменшення вартості матеріалу.

У другому розділі розглянуто теоретичні передумови структуротворення ДСП та формування її міцності. Для зв'язку механічних характеристик з структурою і умовами виготовлення деревинностружкових плит запропоновано математичну модель їх міцності:

(1)

де зг - міцність ДСП на статичний згин, МПа;

д.ч - міцність деревинної частинки в ДСП, МПа;

k - ступінь покривання клеєм поверхні контакту частинок;

kу - коефіцієнт об'ємної щільності вкладання частинок в ДСП;

nд, nс - відповідно об'ємні частки деревини і клею;

Eд, Eс - відповідно модулі пружності деревини і клею, МПа.

Деревинні частинки в готовій ДСП спресовані, тому дану міцність можна визначити з врахуванням міцності частинок до пресування і ступеня їх спресування.

Треба мати на увазі, що у клейовому з'єднанні сума об'ємних часток клею і деревинних частинок з (1) не дорівнює одиниці, оскільки клей не утворює суцільну матрицю. В системі присутній третій структуроформуючий фактор - пори. Для отримання ДСП з високими механічними властивостями потрібно забезпечити гомогенність структури з максимальним взаємним контактом частинок та наближенням її до структури масивної деревини. Величина контакту частинок в плиті визначається коефіцієнтом об'ємної щільності вкладання частинок в ній (kу):

, (2)

де пл - щільність деревинностружкової плити, кг/мі;

д.ч - щільність деревинних частинок в плиті, кг/мі;

кл - густина клею, кг/мі;

Wпл - вологість деревинностружкової плити, %;

P - доля абсолютно сухого клею в плиті, %;

в - густина води, кг/мі.

Потрібно зауважити, що щільність деревинних частинок в ДСП дорівнює щільності вихідної сировинної деревини з урахуванням величини її спресування (kc).

Ступінь покривання клеєм поверхні контакту частинок виражено через питому поверхню деревинних частинок (Sс) і площу обсмолення поверхні частинок (Sо).

Питому поверхню деревинних частинок (мІ/кг) визначено через щільність деревинних частинок в ДСП і їх розміри до пресування: довжину (lч), ширину (bч) і товщину (hч).

Величину обсмоленої поверхні в мІ/кг стружкової суміші розраховано через густину, концентрацію (K) і процентний вміст клею, густину води та товщину клейового шару (hкл).

Об'ємну частку деревини визначено через щільність і вологість плити, щільність деревинних частинок і вмісту клею в ній, а об'ємну частку клею - через щільність плити, густину та процентний вміст клею.

Отже, формула розрахунку міцності ДСП на статичний згин (1) набуде вигляду:

(3)

Наведена математична модель міцності ДСП на статичний згин (3) дозволяє описати міцнісні властивості ДСП при статичному згині залежно від породи деревини, виду клею, їх об'ємного співвідношення, розмірів деревинних частинок, щільності матеріалу та ін. Для створення ж високоякісної ДСП, вона дозволяє раціональні режимні параметри виготовлення плит узгоджено поєднати з властивостями вихідної сировини.

В третьому розділі викладено методичні положення щодо проведення досліджень, наводяться описи підготовки зразків та зазначено застосовуване устаткування. Обґрунтовано вибір експериментальних планів досліджень.

Описано виготовлення в лабораторних умовах за наперед заданими параметрами сировини, матеріалів і режимом пресування зразків ДСП та визначення міцності їх на статичний згин від значень цих параметрів.

Подано методику статистичної обробки результатів досліджень, яку застосовано з використанням ЕОМ.

В четвертому розділі наведено результати реалізації теоретичних та експериментальних досліджень.

На основі експериментальних досліджень міцності деревинних частинок при статичному згині і обробки результатів отримано рівняння регресії залежно від зміни їх щільності, яке в натуральних значеннях має вигляд:

. (4)

Графічна інтерпретація залежності міцності деревинних частинок при статичному згині від їх щільності наведена на рис. 1.

Рис. 1. Залежність міцності деревинних частинок при статичному згині від їх щільності

В результаті досліджень виявлено відмінність між міцністю масивної деревини і стружки, а саме міцність стружки зменшується зі збільшенням її щільності, тоді як масивної деревини - збільшується. При цьому зі збільшенням щільності деревини і стружки різниця між значеннями міцності зростає (табл. 1).

Таблиця 1. Порівняльна таблиця міцності масивної деревини і деревинних частинок при вологості 15 %

Експериментальні дослідження спресування деревинних частинок дозволили визначити вплив вологості (W), умовної щільності деревини (д), температури (t) та тиску пресування (p) на її величину і отримати рівняння залежності коефіцієнта спресування від цих факторів:

. (5)

Графічна залежність коефіцієнта спресування від тиску пресування при різних умовних щільностях деревинної сировини наведена на рис. 2.

Рис. 2. Залежність коефіцієнта спресування деревини від тиску пресування і умовної щільності деревини при W=11% і t=170°С

Залежності коефіцієнта спресування від вологості і температури плит преса мають аналогічний вид кривих. Враховуючи значення спресування за виведеними формулами, визначили вплив умовної щільності деревини, процентного вмісту клею, температури пресування і щільності плит на ступінь ущільнення частинок в плиті та її пористість. Для розрахунку цих структурних параметрів ДСП складено алгоритм, програму для ЕОМ та номограму для практичного використання.

Адекватність виведеної математичної моделі (3) перевірено за експериментально отриманою регресійною залежністю міцності ДСП на статичний згин від щільності деревини, процентного вмісту клею, температури пресування і щільності плит:

(6)

Розраховані значення міцності за регресійною залежністю і кореляційною моделлю зведені в табл. 2.

Таблиця 2. Залежність міцності ДСП на статичний згин від режимних факторів

Примітка. В чисельнику значення міцності за регресійним рівнянням, в знаменнику - розраховані за математичною моделлю.

Козак Р.О. Міцність деревинних частинок // Науковий вісник. Збірник науково-технічних праць. - Вип. 9.13. - Львів: УкрДЛТУ, 2000. - С. 102-105.

Бехта П.А., Козак Р.О. Аналіз техніко-економічних моделей визначення оптимальних параметрів композиційних матеріалів // Науковий вісник. Збірник науково-технічних праць. Проблеми д/о вироб. - Вип. 2. - Львів: УкрДЛТУ, 1994. - С. 11-14. Здобувачем зроблено огляд та аналіз літературних джерел.

Бехта П.А., Козак Р.О. Економічна модель визначення оптимальних параметрів деревно-стружкових плит // Лісовий журнал. - 1995. - №3. - С. 43-44. Здобувачем розроблено алгоритм та програму для отримання оптимальних параметрів деревинностружкових плит.

Бехта П.А., Козак Р.О. Ущільнення деревини в процесі пресування деревностружкових плит // Науковий вісник. Збірник науково-технічних праць. - Вип. 3.2. - Львів: УкрДЛТУ, 1995. - С. 14-16. Здобувачем проаналізовано величини ущільнення та побудована номограма для практичних розрахунків.

Бехта П.А., Козак Р.О. Спресування деревини // Науковий вісник. Збірник науково-технічних праць. - Вип. 10.1. - Львів: УкрДЛТУ, 2000.-С.201-205. Здобувачем проведено експериментальні дослідження та обробку отриманих результатів.

Козак Р.О. Изменение плотности древесных частиц под влиянием влажности в процессе изготовления древесностружечных плит. // Материалы Международной научно-технической конференции "Лес - экология и ресурсы". - Минск: МЛХРБ, ГКНиТ, БГТУ. - 1998. - С. 217-220.

Козак Р.О. Прогнозирование прочности древесностружечных плит. // Материалы Международной научно-практической конференции. "Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины": В 2-х т. - Воронеж, Воронеж. гос. лесотехн. акад. - 2000. - Т.2. - С. 171-175.

Bekhta P.A., Kozak R.O. Porosity of Particleboards Adhesives in Woodworking Industry. Proceedings of the XII Symposium. - Zvolen, 1995. - P.77-80. Здобувачем зроблено аналіз міжстружкової пористості та побудовано номограму для практичних розрахунків.

Размещено на Allbest.ru