Прогнозирование прочности древесины по диэлектрическим параметрам
Шахин Кол, Х., и Ялчин, И. (2015). «Прогнозирование прочности древесины по диэлектрическим параметрам». БиоРес. 10 (4), 6496-6511.
Абстрактные
Существуют различные методы неразрушающего визуализации внутренней структуры древесины. Микроволновый неразрушающий метод, основанный на диэлектрических свойствах среды, представляет большой интерес для прогнозирования прочности древесины в мировой деревообрабатывающей промышленности, но надежное прогнозирование прочности древесины до сих пор не решено удовлетворительным образом. Следовательно, ответ на вопрос о том, как диэлектрические свойства древесины связаны с прочностью, может повысить эффективность моделей для прогнозирования структурных характеристик древесины с помощью микроволн. В настоящей работе оценивались взаимосвязи между диэлектрическими параметрами (диэлектрической проницаемостью, коэффициентом потерь и тангенсом угла потерь) и прочностными свойствами древесины. Образцы готовили из древесины ели и дуба. Диэлектрические измерения проводились на частоте 9.8 ГГц с использованием метода линии передачи фон Хиппеля. Затем были определены плотность древесины и некоторые механические свойства в соответствии с соответствующими стандартами ISO. Результаты показали, что существуют хорошие отношения между диэлектрическими параметрами и MOR, MOE, IBS и CS, особенно для древесины дуба. Диэлектрические параметры были перспективны для прогнозирования прочности древесины с высокой точностью для дуба, но не для пихты, а диэлектрическая проницаемость имела более высокую степень точности, чем тангенс угла потерь и коэффициент потерь.
Полная статья
Прогнозирование прочности древесины с использованием диэлектрических параметров
Хамиет Шахин Кол* и Илкер Ялчин
Существуют различные методы неразрушающего визуализации внутренней структуры древесины. Микроволновый неразрушающий метод, основанный на диэлектрических свойствах среды, представляет большой интерес для прогнозирования прочности древесины в мировой деревообрабатывающей промышленности, но надежное прогнозирование прочности древесины до сих пор не решено удовлетворительным образом. Следовательно, ответ на вопрос о том, как диэлектрические свойства древесины связаны с прочностью, может повысить эффективность моделей для прогнозирования структурных характеристик древесины с помощью микроволн. В настоящей работе оценивались взаимосвязи между диэлектрическими параметрами (диэлектрической проницаемостью, коэффициентом потерь и тангенсом угла потерь) и прочностными свойствами древесины. Образцы готовили из древесины ели и дуба. Диэлектрические измерения проводились на частоте 9.8 ГГц с использованием метода линии передачи фон Хиппеля. Затем были определены плотность древесины и некоторые механические свойства в соответствии с соответствующими стандартами ISO. Результаты показали, что существуют хорошие отношения между диэлектрическими параметрами и MOR, MOE, IBS и CS, особенно для древесины дуба. Диэлектрические параметры были перспективны для прогнозирования прочности древесины с высокой точностью для дуба, но не для пихты, а диэлектрическая проницаемость имела более высокую степень точности, чем тангенс угла потерь и коэффициент потерь.
Ключевые слова: диэлектрические свойства; Микроволны; Неразрушающая оценка; Прочность древесины
Контактная информация: Департамент лесной промышленности, факультет лесного хозяйства, Университет Карабук, 78050 Карабук, Турция; * Автор, ответственный за переписку: hsahinkol@karabuk.edu.tr
ВВЕДЕНИЕ
Древесина в основном используется в промышленности в качестве конструкционного элемента не только в обычном жилищном строительстве, но и в коммерческих и промышленных конструкциях, таких как кровельные системы и мосты. Основная трудность при использовании дерева в инженерных конструкциях заключается в неопределенности расчетных данных для отдельных несущих элементов. Эта трудность исчезла бы, если бы можно было надежно оценить механическое качество каждого элемента с помощью неразрушающих испытаний. Неразрушающие испытания, проводимые на полноразмерных продуктах, являются предикторами, используемыми в моделях производительности. Поскольку прочность может быть измерена напрямую только с помощью разрушающих испытаний, повышение эффективности неразрушающих предикторов важно для дальнейшего использования древесины (Джеймс и др.. 1985 год; Рууд и другие 1991).
Неразрушающая оценка — это подход, который определяет физические и механические свойства материалов без изменения их возможностей конечного использования. Такие оценки основаны на методах неразрушающего контроля для получения точной информации о свойствах, характеристиках или состоянии рассматриваемого материала (Росс и Пеллерин, 1994; Хорасек). и другие 2012). В настоящее время используется множество неразрушающих методов, некоторые в производственной среде, другие в качестве инструментов диагностики. Фундаментальная гипотеза неразрушающего контроля древесных материалов была выдвинута Джейном (1959), который предположил, что свойства аккумулирования и рассеяния энергии древесных материалов, которые можно измерить неразрушающим путем с использованием ряда методов испытаний, контролируются одними и теми же механизмами. которые определяют статическое поведение такого материала. Как следствие, полезные математические взаимосвязи между этими свойствами и статическими, упругими и прочностными характеристиками должны быть получены с помощью статистического регрессионного анализа.
Промышленное микроволновое зондирование древесины — это динамично развивающаяся область, предлагающая доступные, неразрушающие, бесконтактные и массовые измерения свойств безопасным и неинвазивным способом (Hansson). и другие 2005 г.; Богосанович и др.. 2010). Однако подробное исследование Богосановича и другие (2010) показали, что микроволновые методы до сих пор широко не используются. Альтернативными подходами к микроволновым испытаниям древесины являются моделирование распространения, методы измерения, аппаратная реализация и определение свойств древесины. Технология является зрелой, но необходимы дополнительные усилия для поиска решения, подходящего для промышленной среды. Древесина представляет собой неоднородную анизотропную среду, и пропускание микроволн через образец древесины зависит от нескольких параметров, включая влажность, плотность, температуру, внутренние дефекты и угол наклона волокон. Большие различия в свойствах образцов и задействованные сложные структуры создают множество проблем, требующих передовых теоретических, эмпирических и аппаратных решений (Богосанович). и другие 2010).
Чтобы правильно интерпретировать микроволновое изображение, необходимо знать реакцию материала на электромагнитные поля. Также необходимо понимать механизм контраста, взаимодействие между образцом и зондом, а также моделировать и измерять распределение электрического и магнитного полей вокруг зонда. Следовательно, прогресс, достигнутый в базовых знаниях о диэлектрических свойствах древесины, позволит найти новое промышленное применение метода микроволнового изображения (Bucur 2003).
Понимание диэлектрических и структурных свойств древесины необходимо для успешного развития метода обнаружения. Имеется много сообщений о диэлектрических свойствах древесины (например, Торговников, 1993 и Шахин, 2002). На практике диэлектрические свойства не являются целью измерения; скорее они являются промежуточными показателями некоторых параметров древесины, имеющих большое практическое значение. Диэлектрическая проницаемость древесины, измеренная при определенной частоте и температуре образца, сильно зависит от содержания влаги и плотности (Шахин и Ай, 2004). Эффективная диэлектрическая проницаемость учитывает неоднородность образца, но на нее может сильно влиять наличие дефектов, таких как сучки и разветвления, а также присутствие грибков белой гнили и других видов деградации древесины. Кроме того, анизотропия древесины тесно связана с направлением волокон пиломатериала, и ее измерение позволяет определить качество древесины (Богосанович и Эммс, 2014).
Микроволновая технология также показала многообещающие результаты для прогнозирования механических свойств древесины, но не является надежным средством прогнозирования прочности пиломатериалов. На прочностные свойства древесины влияют несколько факторов, таких как влажность, плотность, угол наклона волокон древесины и температура. Прочность бруса можно предсказать, если известны параметры, влияющие на прочность, и взаимосвязь между параметрами и прочностью (Хейккила и другие 1982). Лундгрен (2005) пришел к выводу, что если оценка прочности производится только на основе микроволновых измерений, то необходимо контролировать все факторы, влияющие на измерение. Различные исследования показали, что содержание влаги и/или плотность (Tiuri и другие 1980 г.; Кинг и Йен 1981; Джеймс и другие 1985 год; Йоханссон и другие 2003 г.; Ханссон и другие 2005 г.; Лундгрен и другие 2006 г.; Шайер и Орхан, 2006 г.: Лундгрен, 2007 г.; Denzler and Arthaber 2014) можно было бы предсказать по микроволнам. Кроме того, обнаружение угла зерна (Джеймс и другие 1985 год; Шен и другие 1994 год; Лестер и Сит, 1996 г.; Богосанович и другие 2013; Дензлер и другие 2013; Denzler and Weidenhiller 2015) возможно с помощью микроволновой технологии. Чоффель и др.. (1992) пришли к выводу, что отклик микроволнового датчика связан с механическими свойствами древесины. Микроволновые сигналы после прохождения через древесину содержат информацию о прочности на изгиб и модуле упругости, главным образом, исходя из корреляции с плотностью, а также из-за влияния структурных изменений в древесине на микроволны (Lundgren 2007; Lundgren и другие 2007).
Поскольку свойства древесины, влияющие на микроволны, также связаны с прочностью, диэлектрические параметры были проверены в приложениях для прогнозирования прочности. В то же время сложные отношения затрудняют разделение влияний различных свойств древесины (Lundgren 2005; Lundgren и другие 2007). Общеизвестно, что на прочностные и диэлектрические свойства древесины значительное влияние оказывают плотность, влажность (ВВ), дефекты, наклон волокон, температура, и т.д. С уменьшением МС древесины прочностные свойства повышаются, но диэлектрические снижаются. Аналогичная корреляция справедлива и для температуры. С увеличением плотности древесины повышаются прочностные и диэлектрические свойства древесины. Таким образом, взаимные корреляции между плотностью и диэлектрическими свойствами (Джейн и Дубей, 1988; Ай и Шахин, 2004), плотностью и прочностью (Хейн и Лима, 2012), MC-диэлектрическими параметрами (Пейскенс и другие 1984 год; Ай и Шахин, 2004 г.; Шахин и Ай, 2004), MC-сила (Madsen, 1975; Green и другие 1986), температурно-диэлектрические параметры (O’Sullivan 1976; Koubaa и другие 2008) и термостойкость (Чжоу и Чжун, 2012) могут быть наиболее существенными ограничениями, которые необходимо преодолеть, используя диэлектрические параметры для надежного прогнозирования прочностных свойств древесины. Хорошая модель для прогнозирования прочности древесины по диэлектрическим параметрам может быть получена путем добавления корреляций прочность-плотность прочность-MC, прочность-температура, диэлектрические свойства-плотность, диэлектрические свойства-MC и диэлектрические свойства-температура. .
В связи с этим прогнозирование прочности древесины с помощью Микроволны связаны со многими сложными физическими явлениями. Чтобы оптимизировать и контролировать этот процесс, необходимо понимать различные связанные с ним явления. Это понимание может быть достигнуто с помощью экспериментальных измерений и построения моделей. Численные модели имеют небольшую практическую ценность для промышленных целей, но они помогают расширить понимание реакции системы микроволнового измерения на различные свойства древесины. Следовательно, необходимо уделять больше внимания повышению эффективности моделей для прогнозирования структурных характеристик с помощью микроволн, и были предприняты усилия для количественной оценки преимуществ этих подходов. Также необходимы дополнительные исследования того, как диэлектрические свойства древесины связаны с прочностью (Lundgren 2005). Основной принцип оценки механической прочности конструкционных пиломатериалов с помощью микроволн, как правило, заключается в определении плотности, содержания влаги и угла наклона волокон доски и использовании этих свойств в качестве индикаторов прочности древесины. Исследований взаимосвязи между диэлектрическими параметрами, статической упругостью и прочностными свойствами древесины не проводилось. В настоящем исследовании были разработаны математические модели для связи диэлектрических свойств с механическими свойствами и плотностью. Оценена их точность в прогнозировании прочности древесины.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
Материалы
Пихта (пихта нордмана) и дуб (Quercus Petraea) пиломатериалы были выбраны случайным образом у поставщика пиломатериалов в Йенице, Карабюк. Основными критериями их выбора были коммерческая значимость древесины на турецком рынке и другие факторы, связанные с самой древесиной, такие как плотность и анатомические особенности. Древесина состояла из пиломатериалов воздушной сушки номинальным размером 5×20 мм 2 и длиной 100 мм. Все доски были обструганы, и из заболонной области досок каждой породы деревьев было вырезано по 70 чистых брусков размерами 20×20×300 мм 3 . Затем в общей сложности 140 кусков древесины (2 вида деревьев × 70 образцов) помещали в климатическую комнату с температурой 20 ± 2 °С и относительной влажностью 65 ± 3 % до достижения ими постоянного веса.
методы
Определение прочностных свойств и плотности древесины
Прочность на изгиб, модули упругости при изгибе, ударный изгиб и прочность на сжатие были выполнены в соответствии с ISO 3133 (1975 г.), ISO 3349 (1975 г.), ISO 3348 (1975 г.) и ISO 3787 (1976 г.) соответственно. . Плотность образцов определяли в соответствии с ISO 3131 (1975).
После механических испытаний из каждого куска древесины вырезали по одному образцу для измерения диэлектрической проницаемости с помощью механических испытаний. Размеры используемых образцов зависели от внутренних размеров сечения волновода. Образцы для испытаний имели форму стержня и располагались точно в отверстии на конце волновода, где происходил контакт между образцом и пластиной короткого замыкания. Размеры образцов были максимально приближены к 2.28×1.02×1.03 см 3 . В общей сложности 140 образцов, по 35 из каждого испытания механических свойств, были испытаны на взаимосвязь между каждым свойством и диэлектрическими параметрами. Перед измерением диэлектрической проницаемости образцы снова помещали в климатическую комнату с температурой 20 ± 2 °С и относительной влажностью 65 ± 3 % до достижения ими постоянного веса. Регулярным контролем массы отбирали и взвешивали образцы, уже достигшие равновесной влажности, после чего проводили измерения. Измерения проводились при комнатной температуре (от 20 до 24 °С).
Диэлектрические свойства испытуемых материалов определяли с помощью щелевого волновода и измерителя коэффициента стоячей волны (КСВ-метр). Схема устройства представлена на рис. 1. Частота микроволн поддерживалась постоянной на уровне 9.8 ГГц в Х-диапазоне. Эта частота была выбрана из-за ее важности для потенциальных приложений. Этот метод был основан на методе линии передачи фон Хиппеля для диэлектрических материалов с малыми потерями (Chatterjee 1988). Испытываемые образцы помещались на край волновода, представленного на рис. 2.
Рис. 1. Оборудование, используемое для определения диэлектрических свойств образцов
Рис. 2. Размещение испытуемых образцов в волноводе
После проведения измерений определяли воздушно-сухую плотность образца после расчета воздушно-сухого объема и веса. Микроволновые данные обрабатывались с помощью ординатора после распечатки диэлектрических характеристик каждого образца.
Данные были проанализированы с использованием линейной регрессии, сгенерированной с помощью IBM SPSS Statistics 19. Регрессионный анализ был использован для разработки математической модели для прогнозирования механических свойств с использованием диэлектрических параметров.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты модуля упругости, прочности и диэлектрических свойств на частоте 9.8 ГГц пихты и дуба приведены в табл. 1.
Диэлектрическая проницаемость, коэффициент потерь и тангенс угла потерь сравнивались непосредственно с соответствующими механическими свойствами и плотностью. Статистическая корреляция, проанализированная с помощью линейной регрессии, использовалась для изучения взаимосвязи между диэлектрическими параметрами, механическими свойствами и плотностью. Это исследование было проведено с образцами, тщательно контролируемыми до определенной относительной влажности, которая должна свести к минимуму неконтролируемые колебания содержания влаги. Влажность образцов составляла 11.4 (коэффициент дисперсии: 0.02) для пихты и 12.8 (коэффициент дисперсии: 0.03) для дуба (табл. 1). Поскольку коэффициенты дисперсии образцов были довольно медленными, содержание влаги не было включено в модель в качестве еще одного члена.
В таблице 2 представлены результаты регрессионного анализа. Результаты графически представлены на рис. 3–5 были получены путем тестирования различных уравнений с использованием «оценки кривой» в IBM SPSS 19 и выбора наилучшего соответствия экспериментальным значениям. Линейные уравнения типа y = a + bx обеспечили наилучшие аппроксимирующие кривые для экспериментальных данных по диэлектрическим параметрам и механическим свойствам. Имеются хорошие корреляции между диэлектрическими параметрами и прочностными свойствами и плотностью, особенно для дуба. Пихта показала относительно плохую корреляцию с диэлектрическими параметрами и механическими свойствами по сравнению с дубом (табл. 2). Связь диэлектрической проницаемости с прочностными свойствами и плотностью выше, чем у коэффициента потерь и тангенса угла потерь.
Таблица 1. Результаты определения плотности, модуля упругости, прочности и диэлектрических свойств образцов.
Рис. 4. Связь между коэффициентом диэлектрических потерь и механическими свойствами
Исследования механической обработки древесины: параметры, которые необходимо учитывать для тщательного экспериментирования
Поранкевич, Б. (2014). «Исследования обработки древесины: параметры, которые необходимо учитывать для тщательных экспериментов», БиоРес. 9 (1), 4-7.
Абстрактные
Исследователи, желающие изучить аспекты обработки древесины, сталкиваются со многими проблемами. Исследуемый материал по своей природе отличается по своим трем основным осям и по-разному реагирует на локальную температуру, влажность и многие другие переменные. Таким образом, исследователи, предлагающие будущие исследовательские проекты в этой области, сталкиваются с критически важной задачей выбора параметров, которые следует включить либо в качестве переменных, либо в качестве величин, которые следует считать постоянными. В этой редакционной статье описываются основные параметры и условия обработки древесины, которые можно учитывать в зависимости от масштаба проекта.
Полная статья
Исследования в области обработки древесины: параметры, которые необходимо учитывать для тщательных экспериментов
Исследователи, желающие изучить аспекты обработки древесины, сталкиваются со многими проблемами. Исследуемый материал по своей природе отличается по своим трем основным осям и по-разному реагирует на локальную температуру, влажность и многие другие переменные. Таким образом, исследователи, предлагающие будущие исследовательские проекты в этой области, сталкиваются с критически важной задачей выбора параметров, которые следует включить либо в качестве переменных, либо в качестве величин, которые следует считать постоянными. В этой редакционной статье описываются основные параметры и условия обработки древесины, которые можно учитывать в зависимости от масштаба проекта.
Ключевые слова: углы ориентации волокон древесины; Передний угол; режущая кромка тупость; Толщина режущего слоя; скорость резки; Содержание влаги; Температура древесины; Механические свойства древесины; Физические свойства древесины; Основная сила; Нормальная сила; срок службы инструмента; Новейшее ношение
Контактная информация: Познаньский технологический университет, Познань, Польша; Электронная почта: poranek@amu.edu.pl
Введение
Обработка древесины – это область исследований, связанная с производством древесины и изделий из древесины с использованием режущих инструментов. Процесс обработки древесины можно описать длинным списком параметров и условий. Осознание важности этих параметров и условий позволяет оператору проводить обработку плавно, эффективно и точно. Эффективность процесса обработки древесины можно количественно оценить с точки зрения низких материальных и/или трудовых затрат и высокой (или ожидаемой) производительности. Точность обработки древесины можно определить по точности размеров, отклонениям формы, шероховатости поверхности и кромок, а также свойствам поверхностных слоев заготовки (цвет, сжатие ячеек, разрыв, выкрашивание). Цель этой статьи — указать на важные аспекты подготовки и проведения экспериментов по механической обработке древесины.
Переменные и постоянные параметры
В зависимости от объема планируемого исследования могут быть рассмотрены различные зависимые переменные: (1) Силы резания: главная сила FC, нормальная сила FN, мощность и энергопотребление; (2) Индикаторы стойкости инструмента: закругление режущей кромки , отступ режущей кромки, измеренный в плоскости биссектрисы клина VBW, отступ режущей кромки, измеренный по передней поверхности VBS, отступ режущей кромки, измеренный на поверхности зазора VBF, общее время работы tC, общая длина подачи LF, общая поверхность обрабатываемой детали AF, полный путь режущей кромки LC, общая площадь износа режущей кромки, измеренная по биссектрисе клина AW, для пил: уменьшение уширения углов и др. (например SV); (3) Точность процесса резки: отклонение от целевого (номинального) размера dN, разброс полученных размеров (стандартное отклонение SD), шероховатость поверхности заготовки после резки (Ra, RZ, RZMX), состояние кромки заготовки после обработки (SA, MSU); (4) выброс мелкой пыли и удаление стружки из зоны резания; (5) Акустическая эмиссия; (6) Вибрация рабочего органа; (7) ускорение рабочего органа; и (8) Изменение свойств поверхностного слоя заготовки.
При планировании экспериментов по обработке древесины может быть важно точно указать постоянные параметры, включая допустимый диапазон их изменения, чтобы в будущем можно было сравнить результаты других опубликованных экспериментов. Также целесообразно описывать стойкость инструмента несколькими параметрами, особенно выражающими максимальный износ режущей кромки, а также критерием оценки качества процесса резания (физическим или технологическим). Для определения состояния режущей кромки использование общей площади износа режущей кромки (часто без указания плоскости измерения) может быть проблематичным выбором, поскольку это может скрывать информацию о недопустимых изменениях состояния лезвия как основание для остановки станка. и заменить инструмент.
Параметры и условия экспериментов по обработке древесины
Для характеристики материала заготовки лучше всего использовать научное название породы дерева. Плотность древесины D часто указывается. В тех случаях, когда требуется связать результаты механической обработки с характерными свойствами древесины, следует учитывать несколько механических свойств образцов древесины, таких как: прочность на растяжение вдоль волокон. RT, прочность на сжатие вдоль волокон RC, прочность на сдвиг поперек волокон RS, и прочность на изгиб поперек волокон RB, можно дать.
Также важными для характеристики изучаемого материала являются физические свойства, такие как: содержание влаги mC, температура древесины Tи размеры образцов древесины. В случае исследований износа режущей кромки дополнительными важными параметрами для характеристики среза материала являются: содержание и размер твердого минерального загрязнения в срезе материала; высокотемпературная коррозия обрабатываемого материала по отношению к материалу режущей кромки; и влажная коррозия (древесина в зеленом состоянии перед сушкой) растворов, находящихся в жидком состоянии в клетках древесины, по отношению к материалу режущей кромки.
Эксперимент по обработке древесины проводится путем определения параметров резания, таких как: толщина режущего слоя (толщина стружки) ap, скорость резания vC, ширина режущей кромки wCи глубина резания в направлении подачи cD. Для вращательной резки: диаметр резки dC, скорость подачи vF, количество режущих кромок z, скорость вращения шпинделя n, и подача на ребро fZ.
Рис. 1. Угловые параметры и силы резания; PF – рабочая плоскость, П’F – задняя рабочая плоскость, PR – базовая плоскость, задняя плоскость PP; E – основная режущая кромка; Это– боковой край; eB – задний край; – угол просвета; βF – угол клина; γF – передний угол; κ“R – угол боковой кромки; т“P – угол задней кромки; скорость резания vC; FC – основная сила; FN – нормальная сила
Эксперимент по механической обработке также проводится путем определения угловых параметров режущей кромки (кромок), таких как контур (рис. 1): угол резания ; главная режущая кромка E углы наклона, измеренные в задней плоскости PP и в рабочей плоскости PR, соответственно (угол для случаев, отличных от пиления и шлифования, характеризует профиль инструмента и заготовки); задний край eB угол (рис. 1) в тангенциальном (поперечном) направлении τ P и боковой край Это угол в радиальном (продольном) направлении κ’R, для шлицевого резания [пиление, фрезерование (одностороннее или двустороннее), сверление, долбление]; углы ориентации (рис. 2): ; и габаритные поверхности; жесткость заготовки, закрепленной или перемещенной относительно инструмента
