Содержание страницы
Для проектирования окорочного оборудования необходимы знания величин нагрузок на инструменты, возникающих в процессе окорки, когда происходят перерезания, скалывания слоев коры. Эти величины зависят от механической прочности древесины и связей слоев коры с древесиной и между собой, определяемых породой древесины, вегетационным периодом, параметрами коры, температурными и влажностными условиями.
Таким образом, основные размеры и физико-механические свойства коры являются важными характеристиками лесоматериалов как предмета труда при окорке. Знание данных показателей позволяет оценить требуемую для отделения участка коры от древесины величину механического воздействия, может быть использовано при обосновании рациональных режимов работы окорочного оборудования, с учетом геометрических размеров обрабатываемых лесоматериалов, а также условий заготовки древесины.
1. Характеристики структуры и плотность коры
У хвойных пород кора сформирована в виде слоев из участков перидермы, которые разделены рыхлой корковой паренхимой с включением темных каменистых клеток. Такое строение корки сосны и лиственницы значительно облегчает ее механическое разрушение в любом направлении относительно волокон. При окорке ели возникают несколько большие сопротивления разрушению корки, так как структура корки состоит из фрагментов чешуйчатой формы. При этом пробковый слой коры ели имеет большую твердость и механическую прочность в сравнении с корой сосны, так как он содержит больше каменистых клеток.
В качестве основных характеристик структуры коры можно указать внешний вид поверхности и плотность.
По внешнему виду поверхность коры может быть следующей:
- гладкая (рис. 1);
- бороздчатая;
- чешуйчатая;
- волокнистая;
- бородавчатая.
Рис. 1. Виды древесной коры: а – гладкая (береза); б – чешуйчато-бороздчатая кора сосны; в – бороздчатая (ясень); г – бороздчатая (дуб); д – чешуйчатая (ель); е – волокнистая (можжевельник); ж – бородавчатая (бересклет бородавчатый); и – бородавчатая (бархат амурский); к, л – бородавчатая (дуб пробковый)
Бороздчатая кора имеет продольные и поперечные борозды, примером может быть кора ясеня и дуба (см. рис. 1, в, г).
На поверхности чешуйчатой коры имеются легко отслаивающиеся пластинки, например, как у сосны (рис. 1, б). Такие пластинки наслаиваются одна на другую и образуют слои различной толщины. Таким образомрфмоируется чешуйчато -бороздчатая кора на старых соснах и лиственницах.
Волокнистая кора состоит из длинных продольных волокон. Такая корка, например у можжевельников (см. рис. 1, е), отслаивается продольными лентами.
На поверхности бородавчатой коры находятся в зависимости от породы мелкие, например на коре бересклета бородавчатого (см. рис. 1, ж), выпуклые наросты (пробковая перидерма) или более крупные пробкообразной структуры наросты (дуб пробковый (см. рис. 1, к, л), бархат амурский (см. рис. 1, и) с корой трех видов − пластинчатой, ромбовидной и ясеневидной).
По данным многих исследований, плотность коры зависит не только от породы дерева и содержания влажности, но и месторасположения ее на стволе.
В табл. 1 приведены средние значения плотности при фактической влажности коры деревьев, срубленных в июле [1]. Для сравнения при влажности 15 %, по данным проф. Н. Л. Леонтьева, плотность коры для сосны − 688 кг/м3, ели − 737 кг/м3, березы − 746 кг/м3.
Таблица 1. Плотность коры свежесрубленных деревьев
| Порода | Комель | Середина хлыста | ||
| Плотность, кг/м3 | Влажность, % (абс) | Плотность, кг/м3 | Влажность, % (абс) | |
| Сосна | 470 | 42,5 | 866 | 143,0 |
| Ель | 660 | 54,5 | 740 | 80,0 |
| Береза | 830 | 79,5 | 900 | 71,4 |
| Осина | 750 | 106 | 880 | 95,0 |
Корка имеет невысокую удельную плотность из-за наличия пустот в структуре, поэтому в воде она быстро поглощает влагу, набухает, удельный вес увеличивается, и кора тонет.
Наиболее важная роль характеристик структуры и значений плотности коры заключается в том, что в основном от них зависят различные физико-механические свойства коры.
2. Механические свойства коры
На процесс окорки главное влияние оказывают механические свойства коры. От механических связей элементов коры между собой и с древесиной зависят величины возникающих в процессе окорки сопротивлений, характер разрушения и отделения коры.
Одним из важнейших параметров механических свойств является предел прочности коры. Следует отметить, что предел прочности в момент нарушения пропорциональности между усилием и деформацией называется условным пределом прочности.
В зависимости от ориентации прикладываемых нагрузок относительно волокон лесоматериала различают пределы прочности коры в следующих направлениях:
- радиальном;
- тангентальном (поперек волокон);
- вдоль волокон.
В зависимости от вида разрушения различаются следующие пределы прочности коры:
- на скалывание;
- перерезание;
- сжатие.
Специфика окорки короснимателями в роторных станках в том, что происходит скалывание коры в направлении по винтовой линии ствола, т.е. вдоль и поперек волокон в зависимости от наклона винтовой линии или от соотношения скорости подачи и вращения ротора.
Следовательно, наиболее важными параметрами являются пределы прочности коры на скалывание по камбиальному слою вдоль и поперек волокон. Величина этих параметров зависит в первую очередь от породы древесины, температуры, а в летнее время − от влажности древесины. Некоторые данные приведены в табл. 2 [3].
Таблица 2. Зависимость предела прочности коры на скалывание от влажности
| Порода и состояние древесины | Предел прочности на скалывание коры вдоль волокон, МПа, при влажность древесины, % | ||||||
| 30 | 40 | 50 | 70 | 100 | 130 | 150 | |
| Свежесрубленная | |||||||
| Ель | 2,06 | — | 1,4 | 0,84 | 0,46 | 0,29 | — |
| Сосна | — | 1,06 | — | 0,76 | 0,50 | 0,40 | 0,32 |
| Береза | — | 1,17 | — | 0,61 | 0,25 | — | 0,12 |
| Осина | 2,20 | — | 1,28 | 0,76 | 0,44 | 0,25 | — |
| Сплавная | |||||||
| Ель | 1,56 | — | 0,84 | — | 0,45 | — | — |
| Сосна | — | 1,40 | — | 0,65 | — | 0,37 | — |
| Береза | 1,7 | — | 0,89 | — | 0,43 | — | 0,22 |
Влияние температуры на силы сцепления коры с древесиной заключается в том, что при понижении температуры с переходом от положительной к отрицательной силы сцепления могут увеличиваться в 5 раз. При этом предел прочности на скалывание вдоль волокон сохраняется выше, чем поперек волокон, на величину от 15 до 20 % [4].
При отрицательных температурах предел прочности возрастает из-за замерзания свободной влаги в первую очередь в камбиальном слое.
При положительных температурах предел прочности на скалывание зависит от влажности древесины. Значения пределов прочности на скалывание коры в направлении вдоль и поперек волокон в зависимости от влажности, породы и температуры приведены в табл. 8 [3].
Таблица 8. Предел прочности коры на скалывание [3]
| Параметр | Лиственница | Сосна | Ель | Пихта сибирская | Береза |
| Предел прочности коры влажностью 40 %
на скалывание при температуре до 15 °С, МПа: вдоль волокон поперек волокон |
1,4
0,65 |
0,95
0,5 |
1,22
0,45 |
1,2
1,2 |
1,0
0,7 |
| Предел прочности коры влажностью 40 %
на скалывание при температуре −25 °С,МПа: вдоль волокон поперек волокон |
3,2
2,5 |
2,0
1,8 |
2,3
2,0 |
2,3
2,0 |
2,8
1,4 |
2. Свойства коры в зависимости от температурно-влажностных условий
Силы сопротивления отделению коры от древесины зависят от температурных и влажностных условий выполнения окорки. Происходит это потому, что при отрицательных температурах влага в полостях клеток луба и камбиальной зоны замерзает, повышая прочность коры и ее связь с древесиной в несколько раз. Вода при замерзании увеличивается в объеме на 9 % и, находясь в клеточной оболочке, упрочняет ее структуру так как кристаллы льда образуют решетку. Нагрузка на кору от инструментов будет восприниматься биологическими тканями коры совместно с кристаллами льда.
Таким образом, при понижении температуры происходит замерзание свободной влаги (в диапазоне от 0 до −3 °С) и связанной воды в клетках (при температуре фазового превращения гигроскопичной влаги древесных пород от −4 до −50 °С), прочность камбиального слоя возрастает и силы сцепления коры с древесиной увеличиваются в несколько раз. В целом при изменении температуры от 0 до −20 °С сопротивление скалыванию коры увеличивается в 2−4 раза. При снижении температуры происходит повышение прочности на скалывание и самой древесины. Аналогичный параметр древесины остается выше, чем у коры, в 2−4 раза (у лиственницы разница еще больше и составляет 5−15 раз), что создает условия для качественной круглогодовой окорки лесоматериалов.
Механические свойства коры зависят от влажности. При влажности менее 16 % кора представляет собой хрупкий материал с низкой прочностью вдоль и поперек волокон. При увеличении влажности свыше 30 % кора становится пластичной. Внешний корковый слой хвойных пород обладает влажностью в диапазоне 15–25 %, не зависящей от времени года. По данным [1], динамика влажности W коры и древесины свежесрубленных и сплавных лесоматериалов изображена на рис. 2.
Рис. 2. Динамика влажности коры и древесины свежесрубленных и сплавных лесоматериалов: 1 – кора ели свежесрубленной; 2 – кора ели сплавной; 3 – заболонь ели свежесрубленной; 4 –азболонь ели сплавной
Древесина качественно окаривается при влажности не ниже 45 %, поэтому при меньшей влажности следует предусматривать влажностную подготовку сырья в бассейнах.
В процессах окорки следует учитывать, что с повышением влажности лесоматериалов возрастают потери древесины, так как в этом случае несколько уменьшается предел прочности древесины. По этой причине для качественной окорки часто выполняют подсортировку древесины по влажности на две группы − до 100 % и выше [2].
В целом температурно-влажностные условия существенно влияют на параметры процесса окорки. С повышением температуры и влажности процесс очистки древесины от коры облегчается.
4. Влияние вегетационного периода на выполнение окорки
В технологиях окорки существенное значение имеет период обработки сырья. Обусловлено это изменением прочности сцепления коры с древесиной из-за различной влажности. Эта влажность, а следовательно, сопротивление отрыву коры от древесины зависит от времени года (вегетационного периода). Сцепление коры с древесиной в весенний период вегетации резко снижается, так как живые клетки камбиального слоя насыщены влагой и легко отслаиваются от древесины. Следовательно, этот период будет наиболее благоприятным для выполнения окорки лесоматериалов.
Начиная с октября, сокодвижение прекращается, происходит одревеснение клеточных оболочек камбия и многократное увеличение силы сцепления коры с древесиной.
В осенне-зимний период для обеспечения процесса окорки лесоматериалов предусматриваются различные мероприятия как технологические (термовлажностная подготовка сырья в бассейнах, обогрев), так и технические (увеличение усилий прижима рабочих органов станков, надрезание коры, более острая заточка лезвий инструментов).
Количественно зависимость силы сцепления коры с древесиной ели и березы от времени года показана на рис. 3 [1].
Рис. 3. Сила сцепления коры в зависимости от времени года: 1 – ель; 2 – береза
Кроме отличий в анатомическом строении, кора имеет различия от древесины и по химическому составу. Можно указать некоторые особенности коры и камбиальной зоны, заключающиеся в следующем.
В коре содержится значительно больше экстрактивных веществ, чем в древесине.
Камбий имеет высокое содержание пектина. В свою очередь пектиновые полимеры включают галактуроновую кислоту, рамнозу, арабинозу и галактозу.
Кроме пектина, в камбиальном слое содержатся гемицеллюлоза, целлюлоза и протеин.
В заболони откладывается ценная для промышленности смола живица. Ее добывают из сосен подсечкой или разрезом коры с последующей очисткой поверхности заболони.
Список литературы:
- Симонов М.Н. Механизация окорки лесоматериалов. М.: Лесн. пром-сть, 1984. 214 с.
- Технология и оборудование лесных складов и лесообрабатывающих цехов. Механическая окорка лесоматериалов: учеб. пособие / А.Р. Бирман, И.В. Григорьев, Б. М. Локштанов, А.Е. Гулько, В.В.Орлов, И.В. Бачериков. СПб.: СПбГЛТУ, 2013 92 с.
- Симонов М.Н. Теоретические основы механической окорки лесоматериалов и оптимизация параметров гаммы роторных окорочных станков: дис. … д-ра техн. наук: 05.21.01/ Симонов Михаил Никифорович. М.: МЛТИ, 1980. 389 с.
- Симонов М.Н., Торговников Г.И. Окорочные станки. Устройство и эксплуатация. М.: Лесн. пром-сть, 1990. 182 с.