Прискорений спосіб прогнозування довговічності виробів із деревини та деревних композиційних матеріалів із урахуванням вологості

Реферат: Прискорений спосіб прогнозування довговічності виробів із деревини та деревних композиційних матеріалів із урахуванням вологості полягає у випробуванні їх на міцність до руйнування під час постійної швидкості навантаження, наприклад, на жорсткій розривній машині. Випробування виконують при п’ятьох фіксованих значеннях температури та вологості при постійній швидкості підвищення навантаження. Фіксують час до руйнування кожного зразка. UA 117175 U (12) UA 117175 U UA 117175 U 5 10 15 20 25 Корисна модель належить до деревознавства і деревообробки та може бути використана під час прогнозування довговічності виробів із деревини та деревних матеріалів корпусних меблів. Відомим аналогом є спосіб випробувань корпусних меблів на міцність та деформативність (ГОСТ 19882-91) полягає в тому, що до бічних стінок корпусу виробу поперемінно зліва та справа прикладають однократне навантаження. Через одну хвилину після зняття навантаження вимірюють зсув верхнього щита відносно нижнього (деформацію E1 ). Потім навантажують бічні стінки корпусу виробу циклічним навантаженням до нормативної кількості циклів згідно з ГОСТ 16371-93. Після досягнення нормативної кількості циклів навантаження знімають та проводять огляд виробу, вимірюючи зсув верхнього щита відносно нижнього (деформацію Eн ) E  Eн  E1 [1]. Проте аналог не дає, по-перше, об'єктивних критеріїв довговічності (тривалої міцності) виробу, а по-друге, об'єктивних критеріїв зламу деталей, послаблення або руйнування кутових конструктивних з'єднань, тобто він не дозволяє прогнозувати довговічність кутових меблевих з'єднань. Відомим аналогом є спосіб визначення жорсткості та міцності кутових роз'ємних з'єднань меблів, що полягає у руйнуванні зразка під дією навантаження, яке прикладається із постійною швидкістю. При цьому придатність кутового з'єднання оцінюють величиною руйнівного навантаження, нормативне значення якого береться на основі експериментальних даних [2]. Відомий так само спосіб випробувань кутових меблевих з'єднань на довговічність, що полягає у навантаженні кутового з'єднання меблів тривалим статичним навантаженням, аж до руйнування, при якому випробуванням піддають чотири зразки меблевих з'єднань при фіксованих значеннях навантаження та температури при кожному випробуванні, причому перше випробування проводять при мінімальній температурі та мінімальному навантаженні, друге при мінімальному навантаженні та максимальній температурі, третє, при максимальному навантаженні та мінімальній температурі, четверте при максимальній температурі та максимальному навантаженні, фіксують час до руйнування кожного зразка, довговічність при цьому визначають за формулою:   30  U   1     m exp 0 T  Tm1  , (1) R   де m , U0 ,  і Tm - фізичні (термоактиваційні) параметри матеріалу: m - мінімальна довговічність (період коливання кінетичних одиниць - атомів, груп атомів, сегментів), с; U0 максимальна енергія активації руйнування, кДж•моль;  - структурно-механічний параметр, 35 кДж/(моль•МПа); Tm - гранична температура існування твердого тіла (температура деструкції), K; R - універсальна газова стала, кДж/(моль•K);  - час до руйнування (довговічність), с;  напруження, ΜПа; T - температура, K, причому, lg m  (lg 3 (lg 2  lg 4 )  lg 4 (lg 1  lg 3 )) /(lg 2  lg 4  lg 1  lg 3) ; 40 1000 / Tм  ( x2 (lg 1  lg 3  lg 2  lg 4 )  ( x1  x2 )(lg 4  lg 3 )) /(lg 1  lg 3  lg 2  lg 4 ) , де: x1  1000 / T1 , x2  1000 / T2 . 1 ,  2 , 3 ,  4 - час до руйнування кожного зразка, с.   (U1  U2 ) /(1  2 ) ; U1  2,3R(lg 1  lg 2 ) /( T11  T2 1) ; 45 50 U2  2,3R(lg 3  lg  4 ) /( T3 1  T4 1) ; U0  2  U2 [3]. Однак, оскільки термоактиваційні параметри під час використання даного способу визначаються шляхом випробувань на тривалу міцність при постійному навантаженні, то час проведення випробувань, відповідно трудомісткість способу велика. Відомим аналогом є спосіб прогнозування довговічності виробів із деревини та деревних композиційних матеріалів, що полягає у випробуванні їх на міцність до руйнування під час постійної швидкості навантаження, наприклад, на жорсткій розривній машині, що відрізняється тим, що для прискорення випробувань, підвищення їх достовірності та спрощення методу, випробування виконують при чотирьох фіксованих значеннях температури та постійної швидкості підвищення навантаження, при цьому фіксують час до руйнування кожного зразка, довговічність при цьому визначають за формулою: 1 UA 117175 U    U   1     m exp 0 T  Tm1  ,  R  де m , U0 ,  і Tm - термоактиваційні параметри матеріалу: m - мінімальна довговічність (період коливання кінетичних одиниць - атомів, груп атомів, сегментів), с; U0 - максимальна енергія активації руйнування, кДж•моль;  - структурно-механічний параметр, кДж/(моль•МПа); 5 10 15 20 25 Tm - гранична температура існування твердого тіла (температура деструкції), K; R універсальна газова стала, кДж/(моль•K);  - час до руйнування (довговічність), с;  напруження, ΜПа; T - температура, K, причому значення термоактиваційних параметрів m , U0 , Tm ,  визначають на підставі результатів проведених випробувань шляхом вирішення системи рівнянь: U0 1 1  U0  RT  RT   RT   RT  ln m  ln t1 1 m 1 m   U0  U0    2    2  ln   ln t m 2  RT 2 RTm RT 2 RTm , U U    0  0   3   3  ln m  ln t 3 RT3 RTm  RT3 RTm  U0 U0 4      4  ln m  ln t 4  RT 4 RTm  RT 4 RTm де T1 , T2 , T3 , T4 - температура проведення чотирьох серій випробувань,°K; 1 ,  2 , 3 ,  4 - максимальне руйнівне напруження при відповідній температурі, ΜПа; t1 , t 2 , t 3 , t 4 - час до руйнування зразка при відповідній температурі, с. Однак даний спосіб не дозволяє враховувати вплив вологості матеріалу на його довговічність при експлуатації в конкретних зовнішніх умов. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу прогнозування довговічності корпусних меблів та виробів із деревини, деревинних матеріалів, для спрощення способу та скорочення часу проведення випробувань з тим, щоб мати можливість на етапі випуску нових виробів знати їх потенційні можливості [4]. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб прогнозування довговічності виробів із деревини та деревних композиційних матеріалів, полягає у випробуванні їх на міцність до руйнування під час постійної швидкості навантаження, наприклад, на жорсткій розривній машині, згідно з яким випробування проводять на однакових зразках при чотирьох фіксованих значеннях температури та постійної швидкості підвищення навантаження, при цьому фіксують час до руйнування кожного зразка, а довговічність виробу визначають за формулою:    U   1     m exp 0 T  Tm1  , (2) R   де m , U0 ,  і Tm - фізичні (термоактиваційні) параметри матеріалу: m - мінімальна довговічність (період коливання кінетичних одиниць - атомів, груп атомів, сегментів), с; U0 максимальна енергія активації руйнування, кДж•моль;  - структурно-механічний параметр, 30 35 кДж/(моль•МПа); Tm - гранична температура існування твердого тіла (температура деструкції), K; R - універсальна газова стала, кДж/(моль•K);  - час до руйнування (довговічність), с;  напруження, ΜПа; T - температура, K, причому значення термоактиваційних параметрів m , U0 , Tm ,  визначають на підставі результатів проведених випробувань шляхом вирішення системи рівнянь: U0 1 1  U0  RT  RT   RT   RT  ln m  ln t1 1 m 1 m   U0  U0    2    2  ln   ln t m 2  RT 2 RTm RT 2 RTm , (3) U U    0  0   3   3  ln m  ln t 3 RT3 RTm  RT3 RTm  U0 U0 4      4  ln m  ln t 4  RT 4 RTm  RT 4 RTm де T1 , T2 , T3 , T4 - температура проведення чотирьох серій випробувань,°K; 2 UA 117175 U 5 1 ,  2 , 3 ,  4 - максимальне руйнівне напруження при відповідній температурі, ΜПа; t1 , t 2 , t 3 , t 4 - час до руйнування зразка при відповідній температурі, випробування виконують при п'ятьох фіксованих значеннях температури та вологості при постійній швидкості підвищення навантаження, при цьому фіксують час до руйнування кожного зразка, довговічність при цьому визначають за формулою:      U   1     m exp 0 T  Tm1  exp We 1 , R   де m , U0 ,  і Tm - термоактиваційні параметри матеріалу: m - мінімальна довговічність (період коливання кінетичних одиниць - атомів, груп атомів, сегментів), с; U0 - максимальна енергія активації руйнування, кДж•моль;  - структурно-механічний параметр, кДж/(моль•МПа); 10 15 20 25 30 35 40 Tm - гранична температура існування твердого тіла (температура деструкції), K; R універсальна газова стала, кДж/(моль•K);  - час до руйнування (довговічність), с;  напруження матеріалу при його експлуатації, ΜПа; T - поточна температура матеріалу при його експлуатації, K;  - коефіцієнт, що враховує вплив вологості матеріалу на довговічність; W  W - ефективна вологість; We  m Wm Wm - гранично допустима вологість матеріалу, при якій він має достатні для експлуатації властивості міцності, %; W - поточна вологість матеріалу при його експлуатації, %; причому значення термоактиваційних параметрів m , U0 , Tm ,  визначають на підставі результатів проведених випробувань шляхом вирішення системи рівнянь: U0 1 1  U0 1  RT  RT   RT   RT  ln m  ln t1  We1 1 m 1 m   U0  U0    2    2  ln   ln t  W 1 m 2 e2  RT 2 RTm RT 2 RTm U U   0  0   3   3  ln m  ln t 3  We3 1 ,  RT3 RTm RT3 RTm   U0  U0    4    4  ln   ln t  W 1 m 4 e4  RT RTm RT 4 RTm  4  U0  U0   5   5  ln m  ln t 5  We5 1  RT5 RTm RT5 RTm  де T1 , T2 , T3 , T4 , T5 - температура проведення п'ятьох серій випробувань,°K; We1 , We2 , We3 , We4 , We5 - ефективна вологість матеріалу при проведенні п'ятьох серій випробувань, %; 1 ,  2 , 3 ,  4 , 5 - максимальне руйнівне напруження при відповідній температурі та вологості, ΜПа; t1 , t 2 , t 3 , t 4 , t 5 - час до руйнування зразка при відповідній температурі та вологості, с. За основу способу прогнозування довговічності прийнята теорія термоактиваційного руйнування твердих тіл, що полягає у досліджені впливу не лише величини та тривалості навантаження, але й температури експлуатації виробів. При цьому використовуються рівняння, що відображають фізичні закономірності. Згідно з кінетичною концепцією міцності, руйнування твердого тіла розглядається не як критична подія, а як поступовий кінетичний, термоактиваційний процес, що розвивається у механічно напруженому тілі у часі із моменту прикладання до нього навантаження, менше критичного. На відміну від механічних уявлень, що враховують лише конкуренцію між прикладеною силою та силами міжатомних зв'язків, кінетична теорія розглядає тепловий рух атомів як вирішальний фактор процесу механічного руйнування. Для руйнування матеріалу необхідний час, протягом якого у навантаженому тілі протікають процеси, що призводять до його розділення на частини. Таким чином, при будь-яких температурах механічне руйнування є таким, що відбувається у часі механотермічним процесом, що реалізовується через елементарні акти розриву міжатомних (хімічних) зв'язків. Час не є вирішальним, він лише збільшує кількість теплових флуктуації, необхідних для реалізації тих процесів розриву зв'язків, які перешкоджають 3 UA 117175 U 5 10 15 20 критичній події. Проте ця подія може не наступити, оскільки завдяки тепловому руху розірвані зв'язки рекомбінуються. У механічному полі процес розриву зв'язків прискорюється. При цьому роль навантаження полягає у зменшенні енергії зв'язків (відповідно енергії активації, яка їй пропорційна), зміні відстані між кінетичними одиницями, а також у фіксації їх переміщень, зокрема в утрудненні рекомбінації радикалів. Отже, спрямованість прикладеної сили забезпечує безповоротність процесу внаслідок накопичення цих розривів. Отже, головний руйнуючий фактор - це теплові флуктуації, тобто енергія руйнування тіла більшою мірою черпається із запасу теплової енергії, чим із роботи зовнішніх сил. Наприклад, під час проведення випробувань меблевих деталей на чистий згин, спосіб прогнозування довговічності деталей реалізували наступним чином. Випробування проводилися на базі стандартної розривної машини моделі Р-5 за методикою визначення межі міцності та модуля пружності під час згину згідно з ГОСТ 10635-88 "Плиты древесно-стружечные. Методы определения предела прочности и модуля упругости при изгибе". Зразки встановлювалися на опори випробувального пристрою за відмітками так, щоб поздовжня вісь зразка була перпендикулярна осям опор, а поперечна вісь перебувала в одній вертикальній площині з віссю ножа згідно з фіг. 1 (розрахункова схема випробування на згинання). Відміну від стандартної процедури зразки, що випробовувалися разом з опорами та навантажувальним пристроєм розташовувалися у камері з можливістю зміни температури та вологості. Умови проведення випробувань та середні результати п'яти серій випробувань, у кожній із яких було випробувано по 10 зразків, наведено у таблиці 1. Таблиця 1 Параметри проведення випробувань Термоактиваційні параметри ДСП Час до виробництва Swisspan руйнування ТемпеBoлогість , ln m , U0 , Tm , Wm а зразка ратура, кДж/ T, K с кДж/моль K % ln , с W, % (моль•МПа) 4 5 6 7 8 9 10 11 12 4,15 T1 293 W1 7 Умови випробувань № Назва Межа матеріалу міцність,  , ΜПа 1 1 2 ДСП 10 2 ДСП 10 3 ДСП 10 4 ДСП 10 5 ДСП 10 3 1 11,1  2 10 T2 3 9,01 T3  4 6,02 T4 5 5,03 T5 308 W2 10 4,44 323 W3 9 4,46 353 W4 8 4,71 363 W5 12 4,3 -13 354 21,7 462 20 0,5 25 30 На підставі отриманих під час випробувань даних, за допомогою системи рівнянь (3) були розраховані термоактиваційні параметри ламінованої деревостружкової плити (ДСП) товщиною 10 мм, які наведено у таблиці 1. Використовуючи знайдені термоактиваційні параметри та за допомогою формули (2), розрахуємо довговічність книжкової полиці, яка знаходиться у напруженому стані аналогічно деталям ГОСТу [1], при наступних експлуатаційних параметрах: T=293 Κ;   0,510 ΜПа. Результати розрахунків наведено у таблиці 2. 4 UA 117175 U Таблиця 2 Результати прогнозування довговічності меблевого виробу, деталь якого має максимальне навантаження на згин , с 21333558275 4632309485 2514729487 1365164485 741103200,8 402320716,8 218406773,8 118565902,4 64365555,01 47424239,16 18968846,98 10297567,34  , літ 676,4826952 146,8895702 79,74154893 43,28908186 23,50022834 12,75750624 6,925633365 3,759700102 2,04101836 1,503812759 0,601498192 0,326533718  , ΜПа 4 4,5 4,7 4,9 5,1 5,3 5,5 5,7 5,9 6 6,3 6,5 T, K 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 W, % 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 3 5 10 15 20 На фіг. 2 - Графік залежності довговічності ДСП щільністю 860 кг/м , вологістю 10 %, граничною вологістю 20 %, температурою 300 K залежно від навантаження. Фіг. 3 - графік 3 залежності довговічності ДСП щільністю 860 кг/м , вологістю 10 %, граничною вологістю 20 %, навантаженням 5,5 ΜПа температурою 300 K залежно від температури. Фіг. 4 - графік 3 залежності довговічності ДСП щільністю 860 кг/м , навантаженням 5 ΜПа, граничною вологістю 20 %, температурою 300 K залежно від вологості. Таким чином, використання корисної моделі дозволяє прогнозувати довговічність деталей із ДСП за конкретних умов їх експлуатації. Результат прогнозу може бути використаний як об'єктивний критерій працездатності під час оптимізації вже існуючих меблевих виробів, так і під час конструюванні нових. Джерело інформації: 1. Мебель корпусная. Методы испытаний на устойчивость, прочность и деформируемость. ГОСТ 19882-91. - М.: издательство стандартов, 1991. - 16 с. 2. Мебель. Методы определения жесткости и прочности угловых разъемных соединений. РТМ 13-319-29-79 - М.: издательство стандартов, 1991. - 48 с. 3. Патент на корисну модель № 46493 Україна, МПК G01D 3/00. Спосіб випробовування довговічності кутових з'єднань корпусних меблів /С.М. Кульман, Л.М. Бойко. - Номер заявки u 200906787; заявл. 30.06.2009; опубл. 25.12.2009, Бюл. № 24. 4. Патент на корисну модель № 100484 Україна, МПК G01D 3/00. Спосіб прогнозування довговічності виробів із деревини та деревних композиційних матеріалів /С.М. Кульман, Л.М. Бойко. - Номер заявки u 201501371; заявл. 18.02.2015; опубл. 27.07.2015, Бюл. № 14. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Прискорений спосіб прогнозування довговічності виробів із деревини та деревних композиційних матеріалів із урахуванням вологості, що полягає у випробуванні їх на міцність до руйнування під час постійної швидкості навантаження, наприклад, на жорсткій розривній машині, який відрізняється тим, що випробування виконують при п’ятьох фіксованих значеннях температури та вологості при постійній швидкості підвищення навантаження, при цьому фіксують час до руйнування кожного зразка, довговічність при цьому визначають за формулою:  U   1     m exp 0 T  Tm1  exp We 1 , R    35    де m , U0 ,  і Tm - термоактиваційні параметри матеріалу: m - мінімальна довговічність (період коливання кінетичних одиниць - атомів, груп атомів, сегментів), с; U0 - максимальна енергія активації руйнування, кДж/моль;  - структурно-механічний параметр, кДж/(моль•МПа); Tm - гранична температура існування твердого тіла (температура деструкції), K; R універсальна газова стала, кДж/(моль•K);  - час до руйнування (довговічність), с;  5 UA 117175 U напруження матеріалу при його експлуатації, МПа; T - поточна температура матеріалу при його експлуатації, K;  - коефіцієнт, що враховує вплив вологості матеріалу на довговічність; W W - ефективна вологість; We  m Wm 5 10 15 Wm - гранично допустима вологість матеріалу, при якій він має достатні для експлуатації властивості міцності, %; W - поточна вологість матеріалу при його експлуатації, %; причому значення термоактиваційних параметрів m , U0 , Tm ,  визначають на підставі результатів проведених випробувань шляхом вирішення системи рівнянь: U0 1 1  U0 1  RT  RT   RT   RT  ln m  ln t1  We1 1 m 1 m   U0  U0    2    2  ln   ln t  W 1 m 2 e2  RT 2 RTm RT 2 RTm U U    0  0   3   3  ln m  ln t 3  We3 1 ,  RT3 RTm  RT3 RTm U0 4 4  U0 1  RT  RT   RT   RT  ln m  ln t 4  We4 m 4 m  4  U0  U0   5   5  ln   ln t  W 1 m 5 e5  RT5 RTm RT5 RTm  де T1 , T2 , T3 , T4 , T5 - температура проведення п’ятьох серій випробувань, K; We1 , We2 , We3 , We4 , We5 - ефективна вологість матеріалу при проведенні п’ятьох серій випробувань, %; 1 ,  2 , 3 ,  4 , 5 - максимальне руйнівне напруження при відповідній температурі та вологості, МПа; t1 , t 2 , t 3 , t 4 , t 5 - час до руйнування зразка при відповідній температурі та вологості, с. 6 UA 117175 U 7 UA 117175 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8