книги из ГПНТБ / Бокщанин Ю.Р. Обработка и применение древесины лиственницы

В ряде производств, использующих древесину в ответственных конструкциях, это учтено. Строительными нормами предусматри­ ваются пересчетные коэффициенты для разных пород. Так, если нормативные сопротивления древесины сосны и ели основным видам нагрузок принять за единицу, лиственница по сопротивле­ нию растяжению, изгибу, сжатию и смятию вдоль волокон может использоваться с коэффициентом 1,2. Такой же коэффициент при­ нимается при расчете на сопротивление сжатию и смятию поперек волокон.

По этим же видам нагрузок пихта используется только с коэф­ фициентом 0,8, т. е., если за базу примять прочность пихты, детали и изделия из древесины лиственницы таких же размеров по основ­ ным видам нагрузок будут иметь показатели в 1,5 раза более вы­ сокие.

Анализ действующих стандартов и собранные данные потреби­

Регистра Союза ССР в судостроении и т. д. среди хвойных пород, как правило, на равных правах допускается применение древесины четырех хвойных пород — сосны, ели, пихты, кедра. Поэтому в воз­ ражениях ряда организаций Министерства рыбного хозяйства, Министерства машиностроения, Министерства сельского хозяйства и других о внедрении древесины лиственницы в производство на­ ряду с замечаниями о большой плотности, как правило, отмеча­ ется, что по отношению к пихте лиственница тяжелее почти в 1,5 раза. Этим обосновывается, в частности, изменение остойчи­ вости судна при применении лиственницы вместо других хвойных пород даже при использовании, в соответствии с правилами Ре­

машиностроители, указывая на значительное увеличение веса тары.

Сравним показатели прочности древесины лиственницы и пихты — легкой породы, древесина которой используется во многих ответственных конструкциях.

Усредненные показатели по плотности, приведенные в табл. 15, показывают, что пихта на 40% легче лиственницы и почти на 20% легче сосны. В то же время по прочностным показателям, кроме отдельных случаев (авиадетали, особо ответственные строительные конструкции, элементы обстройки судна), детали из пихты изготав­ ливаются таких же размеров, как из сосны и ели. С учетом сказан­ ного определим допустимое уменьшение толщины деталей и изде­ лий из лиственницы при замене этой породой, пихты в конструк­ циях, работающих при статических и динамических нагрузках.

Из табл. 16 видно, что в сравнении с лиственницей прочность пихты из Западной и Восточной Сибири составляет 54—58% по статическому изгибу, 52—61% по сжатию вдоль волокон, 50—60%

30

по растяжению, даже по скалыванию в тангенциальной плоскости прочность пихты составляет 62—74%.

Сравниваемых данных о прочности поперек волокон листвен­ ницы и пихты, произрастающих в Западной и Восточной Сибири, нет. Однако приведенные в табл. 17 данные сравнения листвен­ ницы с пихтой белой позволяют отметить те же общие зависимости, что были отмечены и выше. Так, по сжатию поперек волокон (при 15% влажности) прочность пихты составляет только 40—47% от прочности лиственницы; в тангенциальном и радиальном направле­ ниях прочность при местном смятии поперек волокон составляет соответственно 37 и 41%.

Средние показатели по сопротивлению раскалыванию древе­ сины пихты в сравнении с древесиной лиственницы сибирской соот­ ветственно в радиальном и тангенциальном направлениях состав­ ляют 55 и 68%. Ударная твердость поверхности не превышает 59% твердости лиственницы.

Итак, приведенные данные по всем основным видам нагрузок показывают, что прочность пихты находится в пределах 55—65% от прочности лиственницы. По сжатию и растяжению вдоль воло­ кон ока в ряде случаев снижается до 50%, а по сжатию и смятию поперек волокон не превышает 41—47%.

Таким образом, даже не принимая для сравнения данные по сжатию и смятию поперек волокон, сжатию и растяжению вдоль волокон, показатели, по которым лиственница вдвое прочнее пихты, по основным характеристикам прочность пихты составляет 65% и менее прочности древесины лиственницы. Следовательно, уменьше­ ние размеров деталей из лиственницы на '/з по сравнению с дета­ лями из пихты во всех случаях обеспечивает равную или большую прочность деталей из лиственницы. Это уменьшение размеров (по­ перечных сечений) может быть принято за основу во всех случаях, когда в деталях и изделиях допускаются без разделения хвойные древесные породы: сосна, ель, пихта и кедр.'

Изготовление деталей из лиственницы перспективно почти во всех случаях, когда к изделию предъявляются требования повы­ шенной прочности.

Если в практике размеры деталей из лиственницы будут уста­ навливаться с сечением, уменьшенным, например, на 30% по срав­ нению с деталями из других хвойных пород, это открывает перспек­ тивы создания менее материалоемких изделий, снимает вопрос об увеличении их веса и позволит привлечь потребителей к использо­ ванию лиственницы в широком круге изделий, несмотря на неко­ торые трудности ее обработки.

Безусловно, весьма широка номенклатура изделий из древе­ сины, где сечения и размеры нельзя изменять из-за их конструк­ тивных особенностей, ограничения звуко- и теплопроводности или по другим причинам. Но и решение вопроса об использовании лист­ венницы в изделиях, где к деталям предъявляются требования прочности, позволит резко расширить область применения этой породы, снимет имеющийся психологический барьер и создаст

31

предпосылки для широкого использования ее в машиностроении,

пород. Прочностные характеристики и плотность ее позволяют счи­ тать, что в эксплуатации изделия из лиственницы, испытывающие значительные нагрузки, в большинстве случаев будут служить на­ дежнее или также, как элементы из твердых лиственных пород.

2.Усушка лиственницы в тангенциальном направлении велика, значительно отличается от усушки в радиальном направлении и при переменных влажностных условиях может привести к дефор­ мациям формы изделий. Поэтому важный для всех древесных пород вопрос о разработке методов и средств стабилизации древе­ сины и уменьшения усушки имеет для лиственницы первостепенное значение.

3.Целесообразно в первую очередь разработать методы повы­ шения стабильности формы изделий из лиственницы, используя систему раскроя сырья с получением максимального количества

и изделий в общей номенклатуре большинство), возможно сниже­ ние размеров деталей из древесины лиственницы на 30—35%-

Изучение прочности и плотности древесины основных хвойных пород поставило на повестку дня вопрос о разработке и широком введении коэффициентов равнопрочной замены деревянных элемен­ тов в конструкциях в разных отраслях промышленности.

Все детали из хвойных пород изготавливают одинакового раз­ мера, исходя из прочностных характеристик пихты. С введением коэффициентов равнопрочной замены, помимо экономии, которая возможна при широком использовании лиственницы, главный эф­

из древесины пихты. Исходными материалами для такой работы могут служить данные из СН и П 10—62 с доработкой их приме­ нительно к основным нагрузкам при использовании древесины в ответственных конструкциях разных назначений. Широкое диф­ ференцированное использование древесины по породам несколько усложняет технологию деревообрабатывающих производств и тех­ ническую документацию на деревянные конструкции и изделия.

32

Однако возможная экономия древесины при этом может достичь 20%, поэтому эффективность предлагаемых работ не вызывает сомнения.

Еще больший эффект можно ожидать при расширении исполь­ зования в ответственных конструкциях заготовок и деталей без пороков. В этом случае можно резко уменьшить в расчетах на прочность коэффициенты, учитывающие большую неравномерность свойств древесины из-за допускаемых пороков. Во многих случаях это позволит уменьшить сечение деталей вдвое, что сократит рас­ ход древесины, позволит создать менее деревоемкие конструкции. Применительно к древесине лиственницы это даст наибольший эф­ фект, так как изделия без пороков из этой породы могут быть полу­ чены в значительном количестве.

ОСОБЕННОСТИ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ НА СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Большое значение имеют свойства древесины при переменных температурно-влажностных условиях. Знание их позволяет более правильно рассчитывать сечения и размеры конструкций.

Исследование влияния температуры и влажности на механи­ ческие свойства древесины было проведено [28] на образцах из ядра лиственницы с плотностью 0,59—0,62 г/см3.

Зависимость предела прочности от температуры t для образцов различной влажности приведена в табл. 20.

Т а б л и ц а 20

расчетов может быть принято 0,5% на каждый градус.

По данным опытов получены пересчетные коэффициенты на влажность для температуры 20, 50, 80, 100° С. Пересчетные коэф­ фициенты определяли по формуле

где aw — предел прочности при влажности от 0 до 30%. Значения коэффициентов приведены в табл. 21.

33

По материалам исследований определены величины пределов прочности, модулей упругости, условных пределов пропорциональ­ ности и максимальных относительных деформаций при изломе для групп образцов, испытанных при различной температуре и влаж­ ности (табл. 22).

Т а б л и ц а 22

С увеличением температуры и влажности образцов все харак­ теристики значительно изменяются. Так, средний модуль упру­ гости уменьшается в 2,4 раза. Средняя величина относительной деформации лри изломе увеличивается в 2,1 раза. Предел проч­ ности уменьшается в 1,78, а предел пропорциональности — в 1,8 раза.

34

Таким образом, прочность конструкции при повышении темпе­ ратуры и влажности значительно понижается. Численные зна­ чения снижения прочности следует принимать по приведенным

за счет коры, впитавшей наибольшее количество влаги; поэтому утоп лиственничных бревен начинается с комля. Этому способ­ ствует также уменьшение плотности ядровой древесины от комля к вершине. Приведенные данные могут служить ориентиром для возможной влажности лиственничных сортиментов, используемых без предварительной сушки.

СОЕДИНЕНИЕ НА ШУРУПАХ И ГВОЗДЯХ

Очень ценное качество древесины-—возможность и простота внедрения в детали и изделия из нее металлических креплений (гвоздей, костылей, скоб, шурупов и т. д.) и их способность удер­ живаться в древесине при значительных нагрузках. Когда гвоздь (костыль, шуруп) внедряется в древесину, волокна раздвигаются, перерезаются, изгибаются или сжимаются. При этом на боковую по­ верхность гвоздя оказывается давление, вызывающее трение и удерживающее гвоздь. Мерой сопротивления является усилие (в кгс), потребное для выдергивания гвоздя или шурупа.

Способность удерживать гвозди и шурупы зависит от направ­ ления внедрения их в образец, породы, плотности и влажности древесины. Основной вид соединения — внедрение гвоздя и шурупа

визделие в тангенциальном и радиальном направлениях.

Втабл. 23 приведены данные по сопротивлению выдергиванию гвоздей и шурупов для древесины различных пород при влажности древесины 15%.

Сопротивление выдергиванию гвоздей у лиственницы, как и у

тивление выдергиванию гвоздей у лиственницы выше в среднем на 25—30%. По сравнению с буком лиственница имеет несколько более низкие показатели и занимает по сопротивлению выдерги­ ванию гвоздей промежуточное положение между хвойными и твер­ дыми лиственными породами.

35

Это же можно сказать о сопротивлении выдергиванию шурупов. По сравнению с показателями других хвойных пород показатели у лиственницы выше на 10—30%.

Показатели сопротивления выдергиванию шурупов в торцовом направлении для лиственницы и дуба иа 28—33% ниже, чем в ра­ диальном направлении. У сосновой древесины показатели ниже на 36—43%. Следовательно, в торцовом направлении сопротивле­ ние выдергиванию шурупов у лиственницы выше, чем у сосны, на 25—40%.

При поисках решений по дальнейшему усилению соединений этого вида следует учитывать преимущества гвоздей четырехгран­ ного профиля, которые в настоящее время широко используются в Финляндии, Франции.

Интересные данные о гвоздимости лиственницы получены в ре­ зультате исследований ее раскалываемое™ при забивании гвоздей в тангенциальном и радиальном направлениях на малых образцах. Допускаемые диаметры гвоздей для сбивания коротких деталей различных сечений приведены в табл. 24.

36

Т а б л и ц а 24

древесины, и лиственница в этом случае наименее желательна из всех сравниваемых пород. При длине образцов 40 мм данные для всех хвойных пород и дуба становятся практически одинаковыми; размер гвоздя, который вбивается без растрескивания древесины, достигает 2,3 мм.

Раскалываемость древесины гвоздями может быть уменьшена предварительной засверловкой гнезд. Разница между диаметром гвоздя и сверла, обеспечивающая целостность образцов самых малых размеров и исключающая раскалывание при забивании гвоздей основных размерных групп, приведена в табл. 25. При уве­ личении размеров образцов возможно дальнейшее увеличение разности между диаметрами гвоздя и сверла.

Т а б л и ц а 25

Уменьшение сопротивления выдергиванию гвоздей в результате предварительной засверловки гнезд невелико и не всегда оно есть. В табл. 26 за 100% принято сопротивление выдергиванию гвоздей, забитых без засверловки. Анализ этих данных показывает, что сопротивление выдергиванию гвоздей разных размеров из лист­ венничных образцов в большинстве случаев увеличивается при предварительной засверловке.

37

Раскалывание образцов при завинчивании шурупов в очень короткие детали предотвращается при диаметрах гнезд под шу­ рупы, приведенных в табл. 27.

Т а б л и ц а 27

П р и м е ч а и и е. В скобках указан внутренний диаметр шурупов.

Общее для большинства наблюдений — несколько большие диаметры1 гнезд под шурупы в деталях из лиственницы, чем из

сосны и липы.

Т а б л и ц а 28

В табл. 28 приведены данные о сопротивлении выдергиванию шурупов при разной глубине завинчивания. В сопоставимых усло­ виях сопротивление выдергиванию шурупов из древесины лист-

38

венницы на 10—20% выше, чем из древесины сосны, и в 2— 2,5 раза выше, чем из липы. Ввертывание шурупов на полную глубину больше увеличивает сопротивление выдергиванию их из древесины лиственницы, чем для других пород. Следовательно, во всех случаях для обеспечения одинаковой прочности соедине­ ний из лиственницы можно использовать шурупы на один стан­

Возможность применения более тонких гвоздей для соединений из лиственницы подтверждается материалами исследований проч­ ности гвоздевых соединений [17]. Полученные данные позволяют по-новому рассматривать вопрос о трудности применения гвоздей и шурупов при изготовлении изделий из лиственницы. При исполь­ зовании древесины лиственницы следует выполнять технологию

39