Получение древесных плит в форме пологих оболочек

Равномерность нагрева прессующих поверхностей прессов для изготовления древесных плит (древесностружечных, MDF, OSB и др.) является необходимым условием производства. Согласно установленным на сегодняшний день нормам, отклонение температуры плит пресса в пределах одной плиты не должно превышать ±5оС [1]. Прессы постоянно совершенствуются с целью улучшения равномерности нагрева: снабжаются специальной конструкцией каналов теплоносителя, в них используют теплоемкие органические теплоносители, позволяющие снизить перепад температур на входе и выходе пресса, и т.д.

Несмотря на это, за счет скапливания конденсата в каналах теплоносителя пресса существует дисбаланс температур верхней и нижней прессующих поверхностей до 8о С [2]. Данный дисбаланс, а также другие неизбежные технологические погрешности вызывают коробление изготовляемых древесных плит, при котором середина плиты изгибается в сторону менее нагретой прессующей поверхности. Такое направление изгиба обусловливается тем, что связующий агент (например, фенолформальдегидная смола) при остывании и отверждении расширяется, и возникают механические напряжения, приводящие к такому изгибу.

Так называемый «активный» способ устранения покоробленности древесных плит, т.е. способ, реализованный непосредственно в процессе производства, рассмотрен в [3]. Для осуществления способа пресс оснащается регуляторами теплоносителя в продольных и поперечных каналах, а на участке обрезки или кондиционирования устанавливаются датчики стрелы прогиба плиты. В зависимости от величины и направления прогиба создается определенный дисбаланс температур нагревательных поверхностей при прессовании, в результате которого покоробленность готовых плит устраняется независимо от причин ее возникновения. При этом отпадает необходимость длительной выдержки готовых древесных плит в штабелях для придания им плоской формы, за счет чего экономятся производственные площади и сокращается производственный цикл.

Располагая данным оборудованием, такой дефект, как покоробленность древесных плит, можно превратить в достоинство, т.е. целенаправленно использовать явление коробления для получения на оборудовании для плоского прессования древесных плит заданной формы – пологих оболочек с ограниченным изгибом. Преимущество такого способа: вместо трудоемкого изготовления и замены пресс-форм применяется достаточно просто реализуемое регулирование температуры прессующих поверхностей. При этом количество произведенных древесных плит с конструктивно заданным изгибом (тираж) никак не сказывается на себестоимости продукции.

При симметричном строении стружечного пакета и равномерном распределении температур по всей площади нагревательных плит, но при наличии дисбаланса температур верхней и нижней нагревательных поверхностей, как показали измерения, готовая древесная плита после остывания приобретает форму, близкую к эллиптическому параболоиду (строка 1 в таблице). Расстояние произвольной точки такого параболоида до плоскости плана определяется выражением z = f 1

(2 x — a ) ² 2 0 2

_ (2 y — b ) ² 2

где а, b - соответственно длина и ширина плиты; f – стрела прогиба плиты.

Температурный дисбаланс прессующих плит и форма плит

Зона повышенной температуры прессующих плит

Форма пологой оболочки

Название и формула поверхности ДСП

Эллиптический параболоид

Fi ^{( 2 x} - a ) ^{2 ( 2} y - b ) ^{2 z} = f ¹ - ^ a    2 b^

Эллиптический цилиндр

( 2 x — a ) ²

¹   a^

0 <  y <  b

Эллиптический цилиндр

z = f

2 ( 2 x — a ) ²

1 ~

0 <  y <  b

Цилиндрическая поверхность

8f(a z = Ц- — x \ , 0 < y < b a3 12    )

S-образная цилиндрическая

z = f 1

-

поверхность

( 4 x — a ) ²

a ²

,

a

0 <  x <

z = f — 1 +

( 4 x — 3 a ) ² a ²

,

a <  x <  a

0 <  y <  b

Гиперболический параболоид

z = f

—

( 2 x — a ) ² + ( 2 y — b )

a ²

b ²

Поверхность с параболами в сечениях

( 2 x — a ) ²

1 ~

—

y

b

Такая форма древесной плиты в полной мере подходит под определение пологой оболочки [4], т.е. оболочки, у которой стрела прогиба f не превышает одной пятой наименьшего линейного размера плана a или b .

В результате экспериментальных исследований на образцах 400∙400 мм2 толщиной 19 мм при средней температуре электрообогреваемых прессующих плит ТСР = 170 °С для стрелы прогиба плиты f (мм) получено регрессионное уравнение в виде степенной зависимости f = КL • 0,012 -ДТ°’734 • р 3-139,                                  (2)

где ΔТ – варьируемый параметр;

• ρ – плотность плиты, г/см³;

• К L = 1 – масштабирующий коэффициент.

В эксперименте создавали температуру верхней Т В и нижней Т Н прессующих поверхностей соответственно

т

В

= т

1 СР

Д Т

+

2 ^,

т

Н

= т

1 СР

—

Д Т

т.е. дополнительно нагревали верхнюю прессующую плоскость и охлаждали нижнюю и наоборот (для исключения влияния веса исследуемой плиты). При этом средняя температура прессования оставалась неизменной, равной примерно 170 °С

Тср = 2 (ТВ + Тн ).

Экспериментальные исследования показали, что величина стрелы прогиба f подчиняется условию подобия, т.е. для квадратной плиты с длиной сторон L (мм) стрела прогиба отличается в L /400 от стрелы прогиба плиты, для которой получено уравнение (2), т.е. для плиты с длиной сторон 400 мм. Поэтому поправка на формат плиты (масштабирующий коэффициент) составляет: К L = 400/ L . Для плиты неквадратной формы вместо L следует подставлять среднее арифметическое между длиной и шириной плиты.

Результаты эксперимента представлены на рисунке.

Значения стрелы прогиба плиты и их доверительных интервалов в зависимости от разности температур верхней и нижней плит пресса. Плотность плит: 1 – 0,5 г/см3; 2 – 0,7 г/см3; 3 – 0,9 г/см3

Таким образом, путем целенаправленного создания дисбаланса прессующих поверхностей можно не только устранять покоробленность готовой древесной плиты, но и получать ее определенную форму.

Для получения древесной плиты в виде эллиптического цилиндра может использоваться либо различие температур в части поперечных каналов прессующих плит (при расположении дуги цилиндра вдоль направления изготовления), либо различие температур в части продольных каналов (при расположении дуги цилиндра поперек направления изготовления). При этом стрелу прогиба f эллиптического цилиндра регулируют величиной дисбаланса температур сегментов верхней и нижней прессующих поверхностей.

Для получения других форм древесных плит необходимо создавать более сложную асимметрию нагревательных поверхностей: чем сложнее форма оболочки, тем сложнее должен быть температурный дисбаланс. Зоны повышенных и, соответственно, пониженных температур прессующих поверхностей и получающиеся при этом формы пологих оболочек представлены в таблице. Здесь повышенная температура показана более темным фоном.

Форма древесных плит в виде гиперболического параболоида могла бы быть получена при диагональном перепаде температур прессующих поверхностей, который нельзя получить в действующих прессах с использованием имеющихся каналов для теплоносителя (например, перегретого пара). При необходимости получения изделий со сложными поверхностями пресс должен быть оснащен соответствующими электронагревательными элементами.

Формы плит в виде оболочек могут представлять интерес для строительства, в частности при изготовлении опалубки для куполообразных железобетонных оболочек, у которых минимизированы напряжения изгиба. В безизгибных железобетонных оболочках может быть значительно уменьшена опасность возникновения трещин, а кривизна таких оболочек может придать им дополнительную жесткость и устойчивость.

Различные формы древесных плит могут представлять интерес также при изготовлении оригинальных мебельных элементов, например для получения S-образных боковых элементов столов, слегка выпуклых дверей кухонной мебели и т.д. Трудность обработки таких плит (шлифование, каширование, ламинирование) может быть компенсирована простотой их изготовления.

Таким образом, активные способы устранения покоробленности древесных плит могут позволить расширить технологические возможности их изготовления и получать на традиционном оборудовании плиты с оригинальным декоративным качеством. За счет целенаправленного регулирования температуры верхней и нижней прессующих поверхностей можно задавать такой режим прессования, при котором готовая плита будет иметь изгиб заданной формы и величины. Это может позволить производить древесные плиты в виде пологих оболочек на традиционном оборудовании для плоского прессования.