Russian Federation
Russian Federation
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
Each industrial enterprise, in order to increase the competitiveness of its products, must ensure such quality indicators as dimensional stability and maintainability during the entire warranty period. In practice, these indicators are ensured by observing the design rules. This problem is especially relevant in the design of joinery and construction and furniture products operated in variable climatic conditions. The purpose of the study was to establish the optimal technological chains for the production of re-adhesive structural elements; find the optimal sizes of lamellas, plots and assembly units for gluing; substantiate the expediency of veneering the glued elements with sawn veneer; design of products as a whole without the use of spikes and glue. All studies were carried out in real production conditions: at LLC Firm "Caucasian Forest", Republic of Adygea, Maikop district, settlement Tulsky and LLC HC "Mebel Chernozemya ", Voronezh. It is clear from the studies carried out that the technology of re-glued blanks allows several times to reduce warpage and increase the dimensional stability of structural elements; veneering operation allows rational use of low-grade wood in production
construction, solid wood, gluing, technology, warpage
Введение
Каждому промышленному предприятию для повышения конкурентноспособности выпускаемой продукции необходимо обеспечить такие ее качественные показатели, как формоустойчивость и ремонтопригодность в течение всего гарантийного срока эксплуатации. Изделия из массивной древесины стоят в этом ряду особняком по той причине, что ни один природный, искусственный или синтетический материал не сравнится с ней по разности свойств в трех основных проекциях, известной как анизотропия. Действительно, если взять, к примеру, такие конструкционные материалы как кирпич, металлический прут или листовое стекло, то физико-механические показатели этих материалов по длине, ширине и толщине одинаковы. Однако, этого нельзя сказать о деревянном бруске того же размера, у которого разность в аналогичных показателях может доходить до трех порядков. Кроме того, существует еще и такое объективное физическое явление как гистерезис сорбции, в результате которого после увлажнения и последующего высыхания изделие никогда не вернется к прежним размерам и форме [1, 2, 3]. Эти обстоятельства обязаны учитывать специалисты-деревообработчики при проектировании и изготовлении изделия, принимая меры к их нейтрализации и купированию [4]. При этом внешний вид и эстетические показатели изделия должны соответствовать нормативно-технической документации и договору поставок, утвержденным в установленном порядке. Кафедра механической технологии древесины ВГЛТУ в сотрудничестве с различными российскими предприятиями регулярно проводит научные исследования в этом направлении и настоящие исследования являются продолжением и развитием подобных работ [5].
Условия обеспечения вышеназванных показателей на практике диктуются первым, вторым и четвертым правилами конструирования, предложенными деканом факультета ТДО ВЛТИ Михайловым Н.А. [6]:
Первое правило. Конструировать изделия надо так, чтобы неизбежная деформация отдельных частей происходила свободно, но без нарушения формы и прочности самого изделия;
Второе правило. Отдельные детали изделия надо конструировать так, чтобы неизбежные изменения размера и формы были наименьшими;
Четвертое правило. Изделия необходимо проектировать так, чтобы они по своей форме, размерам и конструкции были рациональными, отвечали назначению, удовлетворяли техническим условиям и санитарно-гигиеническим требованиям.
Следовательно, правила конструирования настоятельно рекомендуют изготавливать отдельные элементы конструкции не из цельного отрезка древесины, а из нескольких, оптимально мелких, соединенных клеем [7, 8]. Элементы соединять в единое целое не жестко, а оставлять возможность их взаимного перемещения. Тогда напряжения, возникающие в отдельных элементах сборочной единицы или узла, будут взаимно уравновешиваться при изменении их размера и формы без нарушения целостности изделия в целом. Особенно актуальна эта проблема при проектировании столярно-строительных и мебельных изделий, эксплуатируемых в переменных климатических условиях [9, 10].
Таким образом, целью настоящих исследований было:
- установление оптимальных технологических цепочек получения переклейных конструктивных элементов;
- установление оптимальных размеров ламелей, делянок и сборочных единиц под склейку;
- обосновать целесообразность фанерования клееных элементов пиленым шпоном;
- конструирование изделий в целом без использования шипов и клея.
Материалы и методы
В данной работе исследуется первое направление склеивания древесины при промышленном использовании (рис.1, б). Для повышения объективности конечных результатов исследования проводились в условиях реальных производств двух регионов России на древесине твердых лиственных пород рубок Северного Кавказа и Центрально-Черноземного региона:
1) деревообрабатывающего предприятия ООО «Фирма «Кавказский лес», Республика Адыгея, Майкопский р-н, п. Тульский, специализирующегося на выпуске столярно-строительных изделий из массивной древесины;
2) мебельного предприятия ООО ХК «Мебель Черноземья», г. Воронеж, специализирующегося на выпуске бытовой корпусной, мягкой и решетчатой мебели.
В результате многолетних натурных исследований были отработаны технологические режимы, описанные в [5]. Практика показала, что лучшим исходным сырьем для подобных технологий является необрезная доска толщиной 32 мм, сушка которой происходит относительно быстро и равномерно, а раскрой оптимален для подавляющего большинства изделий: дверные полотна и коробки, панели, ступени лестниц, наличники, декор, мебельные фасады и т. п. После выдержки весь материал строгается по обеим пластям на рейсмусовом станке в размер 28 мм без прифуговки и сортируется на две неравные части: малая часть высшей категории качества предназначена для изготовления чистовых лицевых ламелей и после обрезки в размер по ширине раскраивается на реброделительном станке в размер по толщине 4 мм в четном количестве, что позволяет производить симметричный подбор фасадных элементов, пример которого представлен на рис. 1, а. Большая часть предназначена для изготовления переклейных основ конструктивных элементов по следующей технологической цепочке: поперечный раскрой на заготовки с припуском по длине, продольный раскрой по ширине в размер 40 и 75 мм, сращивание по длине в размер с припуском, 4-стороннее строгание, сплачивание по кромке в размер по ширине с припуском в заготовку основы, 4-стороннее строгание, облицовывание основы по одной или обеим пластям.
Далее, в зависимости от назначения, облицованные заготовки либо поступают в чистовую обработку в качестве брусков рамок фасадов, коробок, наличников и пр., либо склеиваются по кромке и далее обрабатываются по технологии в филенки, ступени, бруски каркасов полотен и пр. (рис. 2). Сбеговая рейка также перерабатывается под двойную склейку по толщине (рис. 2, б и 2, в), что повышает как итоговый полезный выход, так и формоустойчивость элемента.
Как видно, технология изготовления переклейных изделий достаточно сложна и поэтому подходит только для крупных технологически оснащенных производств под поточную продукцию. В этом случае подобная технология позволяет рационально использовать как высококачественное, так и низкосортное сырье и получать на выходе востребованный продукт с низкой себестоимостью и высокой добавленной стоимостью, а также надежностью и долговечностью при эксплуатации [11, 12].
Для определения оптимальных размеров делянок и сброчных единиц были проведены натурные исследования, проходившие в период с 01.09.2018 по 01.04.2019 гг. на Северном Кавказе и с 01.09.2019 по 01.04.2020 гг. в г. Воронеже. Для этого партии вертикальных брусков полотен и наличников, цельные и переклейные, по 16 шт. каждого вида, размещали свободно разложенными на стеллажах в помещениях и с постоянными комнатными и переменными комнатными климатическими условиями. Каждый рабочий день снимались показания психрометров в помещениях, каждую неделю фиксировалась влажность древесины и степень коробления.
Результаты
Конечные усредненные результаты исследований представлены в табл. 1.
а) б)
Рис. 1. Пример правильного исполнения правил конструирования:
а) правило №4 - посредством симметричного подбора пиленого шпона по переклейным основам филенки, каркаса полотна и наличников,
б) правило №2 - чертеж филенки с переклейной основой из делянок шириной 100 мм, фанерованных по обеим пластям шпоном пиленым
Источник: собственные вычисления (разработки)
Таблица 1
Результаты натурных исследований воздействия климатических условий в помещениях на степень
коробления конструктивных элементов
|
Вид элемента |
Размеры в чистоте, мм |
Набор и количество делянок, шт. |
Регион |
|||
|
Постоянные условия |
Переменные условия |
|||||
|
Вид коробления |
Величина коробления, мм |
Вид коробления |
Величина коробления, мм |
|||
|
Брусок полотна долевой (рис. 2, а) |
2000х120х40 |
Цельный |
По пласти |
До 5,0 |
Крыловатость |
До 12,0 |
|
1020х62х34 - 4 |
По пласти |
До 3,0 |
Крыловатость |
До 5,0 |
||
|
520х42х34 - 12 |
По пласти |
До 1,5 |
По пласти |
До 3,5 |
||
|
320х21х34 - 42 |
- |
- |
По пласти |
До 2,5 |
||
|
Брусок полотна поперечный нижний (рис. 2, б и 2, в) |
760х175х40 |
Цельный |
По пласти |
До 2,5 |
По пласти |
До 5,0 |
|
390х88х34 - 4 |
По пласти |
До 1,5 |
По пласти |
До 2,5 |
||
|
390х36х17 - 20 |
По пласти |
До 1,0 |
По пласти |
До 1,5 |
||
|
270х18х17 - 60 |
- |
- |
По пласти |
До 1,0 |
||
|
Брусок коробки долевой (рис. 2, г) |
2100х80х40 |
Цельный |
По пласти |
До 4,0 |
Крыловатость |
До 10,5 |
|
1060х42х24 - 4 |
По пласти |
До 2,5 |
По пласти |
До 5,0 |
||
|
530х21х24 - 16 |
По пласти |
До 1,5 |
По пласти |
До 2,0 |
||
|
355х21х24 - 24 |
- |
- |
По пласти |
До 1,5 |
||
|
Наличник долевой (рис. 2, д) |
2200х80х17 |
Цельный |
По пласти |
До 6,0 |
Крыловатость |
До 35,0 |
|
1120х42х14 - 4 |
По пласти |
До 3,0 |
Крыловатость |
До 13,0 |
||
|
560х22х14 - 16 |
По пласти |
До 1,5 |
Крыловатость |
До 5,5 |
||
|
375х22х14 - 24 |
- |
- |
По пласти |
До 3,0 |
||
Источник: собственные вычисления (разработки)
а) б) в) г) д)
Рис. 2. Примеры практической технологии переклейных конструктивных элементов дверного полотна: а) брусок полотна, б) и в) брусок поперечный нижний полотна, г) брусок коробки, д) наличник
Источник: собственные вычисления (разработки)
Заключение
1. Технология переклейных заготовок позволяет в несколько раз снизить коробление и повысить формоустойчивость конструктивных элементов даже в переменных комнатных условиях (входные группы, тамбуры, мансарды, чердаки, сауны, бани).
2. Необходимым и в принципе достаточным для склеивания заготовок из древесины твердых лиственных пород в столярно-строительных и мебельных конструкциях бытового и административного назначения с последующим фанерованием по пластям является однослойный способ. Для особо нагруженных конструктивных элементов возможен двухслойный. Три и более слоя на практике неприемлемы из-за выпадания из зоны оптимальности.
3. Использование цельной массивной древесины при эксплуатации изделий столярно-строительного и мебельного назначения в переменных климатических условиях недопустимо ввиду быстрой и безвозвратной потери ими формоустойчивости. Кроме того, даже при мелкосерийном производстве в этом случае крайне затруднен подбор делянок под склейку, что резко снижает эстетичность готового изделия и его цену.
4. Фанерование элементов пиленым шпоном позволяет не только вовлечь в производство большие объемы низкосортной древесины, но и резко повышает эстетичность и привлекательность изделия, что благоприятно отражается на его сбыте.
5. Для конечного внедрения в производство необходимо провести сравнительные технико-экономические расчеты норм времени на операции, производительности технологического оборудования и калькуляции себестоимости по обеим технологиям, что и планируется сделать в течение ближайшего года
1. Ugolev, B.N. Drevesinovendenie i lesnoe tovarovedenie / B.N. Ugolev. – Moskva: Akademiya, 2010. – 266 s. - ISBN: 978-5-7695-5828-3.
2. Kyuchukov, G. Furniture Construction. Structural Elements and Furniture Joints / G. Kyuchukov, V. Jiv-kov. - Publisher: Bismar. – 2016. - 443 p. - DOI: 10.13140/RG.2.2.15573.83680.
3. Nikitina, A.V. Drevesina i klei, primenyaemye pri izgotovlenii kleenyh derevyannyh konstruk-ciy / A.V. Nikitina, V.V. Isakova, A.A. Ashihmina //Integraciya nauk. – 2018. - № 8(23). – S. 431-433. - ISSN: 2500-2449.
4. Fink, G. Application of European design principles to cross laminated timber / G. Fink, J. Köhler, R. Brandner //Engineering Structures. – 2018. – № 171. - P. 934-943. - DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.02.081.
5. Kantieva, E.V. Naturnoe issledovanie prochnosti skleivaniya massivnoy drevesiny sovremennymi kleyami pri ekspluatacii v razlichnyh usloviyah / E.V. Kantieva, L.V. Ponomarenko, M.A. Posluhaev, A.N. Chernyshev // Lesotehnicheskiy zhurnal. – 2020. - № 1. – S. 105-114. - DOI: 10.34220/issn.2222-7962/2020.1/11.
6. Garin, V. A. Tehnologiya izdeliy iz drevesiny : ucheb. posobie / V. A. Garin, N. A. Mihaylov. – Vo-ronezh, 1985. – 223 s.
7. Sikora, K.S. Effects of the thickness of cross laminatedtimber (CLT) panels made from Irish Sitka spruce onmechanical performance in bending and shear / K.S. Sikora, D.O. McPolin, A.M. Harte // Construction and Build-ing Materials. - 2016. – №116. - P. 141–150. - DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.04.145.
8. Wang, Z. Mechanical properties of laminated strand lumber and hybrid cross-laminated timber/ Z. Wang, M. Gong, Y.-H. Chui //Construction and Building Materials. - 2015. - №101. - P. 622–627. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.10.035.
9. Ebadi, M.M. Vibration responses of glulam beam-and-deck floors / M.M. Ebadi, G. Doudak, I. Smith //Engineering Structures. – 2018. – № 156. - P. 235-242. - DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.11.051.
10. Belyaeva, Z.V. Effektivnost' primeneniya kleenyh derevyannyh konstrukciy v sovremennom stroitel'stve / Z.V. Belyaeva, R.I. Razvodov //Akademicheskiy vestnik URALNIIPROEKT RAASN. – 2019. - № 1(40). – S. 74-78. - DOI 10.25628/UNIIP.2019.40.1.013.
11. Harte, A.M. Mass timber – the emergence of a modern construction material /A.M. Harte // Journal of Structural Integrity and Maintenance. – 2017. – №2(3). - P. 121-132. - DOI: 10.1080/24705314.2017.1354156.
12. Brandner, R. Cross laminated timber (CLT): overview and development / R. Brandner, G. Flatscher, A. Ringhofer, G. Schickhofer, A.Thiel // European Journal of Wood and Wood Products. - 2016. - №74. - P. 331-351. - DOI: 10.1007/s00107-015-0999-5.
