Силы и мощность при склеивании

В процессе склеивания необходимо равномерное сжатие склеи­ваемых поверхностей под определенным давлением. Для этого ис­пользуют различные прессующие устройства, действующие по принципу винта, клина, пневматических и гидравлических ци­линдров и приводимые в действие ручным или механизирован­ным способом. Выбор прессующего устройства и его расчет ведут исходя из необходимого усилия, определяемого по размеру пло­щади склеивания и давлению, установленному технологическим режимом.

Общее необходимое усилие для склеивания поверхностей рас­считывается по формуле

где F — общее усилие, МН; S — площадь склеивания, м²; q — давление склеивания, МПа.

Исходя из этого усилия устанавливают необходимое количе­ство прессующих устройств с учетом их конструктивных и эксплу­атационных возможностей. При ручном приводе усилие привода устройства не должно превышать 80... 160 Н. Для пневматических устройств исходным ограничением является давление в сети сжа­того воздуха, для гидравлических — давление гидронасосов и т.д.

Простейшими прессующими устройствами для склеивания заго­товок являются винтовые зажимы и шланговые пневмоприжимы. Винтовые зажимы — струбцины — развивают давление до 8 кН. Нормирование давления при зажиме склеиваемых заготовок в струб­цине осуществляется динамометрическим ключом, регистрирую­щим усилие привода или крутящий момент М = FI, где F— сила, / — плечо рычага.

Усилие, развиваемое винтом струбцины, определяется по фор­муле

где F — осевое усилие винта; М — крутящий момент на динамо­метрическом ключе; К — коэффициент увеличения усилия.

Коэффициент увеличения усилия винта определяется по формуле

где r — радиус резьбы винта; α — угол подъема резьбы; φ — угол трения в винтовой паре; μ — коэффициент трения торца винта; d — диаметр торца.

Учитывая, что при винтовом зажиме давление от винта распреде­ляется на небольшую поверхность, а древесина способна поглощать часть этого давления в некотором объеме, винтовые зажимы следует ставить с шагом менее 0,5 м. При этом давление зажима уменьшается от места его приложения примерно на 0,3 МПа на каждом метре вдоль волокон. Этого недостатка лишены пневматические шланговые прижимы, которые широко используют из-за простоты их устройства.

Усилие, развиваемое шлангом, распределяется равномерно и определяется приближенно по формуле

где F — общее усилие, развиваемое шланговым прессом, МН; р — давление сжатого воздуха, МПа; l — длина шланга, м; D — диа­метр шланга, м; Н — величина сжатия шланга, м.

Усилие запрессовки при склеивании шиповых соединений, Н,

Где первое слагаемое – усилие посадки шипов в гнёзда (проушины); второй член — усилие обжима заплечиками шипов сопрягае­мых деталей; q — нормальное давление на боковую поверхность шипа при посадке его в гнездо, МПа; f — коэффициент трения при посадке; S — суммарная площадь боковых поверхностей всех щечек шипов на одном конце всех одновременно запрессовываемых дета­лей, мм²; S₃ — площадь всех заплечиков шипов на одном конце всех одновременно запрессовываемых деталей, мм²; Р — допустимое дав­ление на смятие древесины заплечиками шипов, МПа.

Значения q, f и Р при максимальном натяге 0,3 мм приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры, определяющие усилие запрессовки при склеивании (при максимальном натяге 0,3 мм)

Интенсификация склеивания с помощью ТВЧ. Интенсивность нагрева диэлектриков в электрическом поле токов высокой часто­ты зависит от двух характеристик: диэлектрической проницаемо­сти е и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.

Относительная диэлектрическая проницаемость материала по­казывает, насколько увеличится количество поглощаемой энер­гии конденсатором, если вместо воздуха между его пластинами поместить этот материал. Угол диэлектрических потерь характери­зует необходимое количество энергии для переориентации дипо­лей. Он зависит от свойств материала и частоты поля. Для матери­алов, участвующих в процессе склеивания древесины, эти харак­теристики приведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики некоторых диэлектрических материалов

Количество выделяемого в диэлектрике тепла зависит от про­изведения ε • tgδ — фактор потерь. Мощность, Вт/см³, теряемая элек­трическим полем высокой частоты в 1 см³ материала, определяет­ся по формуле

где ε — относительная диэлектрическая проницаемость; tg δ — тангенс угла потерь; f — частота поля, МГц; Е — напряженность поля, кВ/см.

Скорость нагрева (приращение температуры за 1 с) определя­ется в зависимости от теряемой мощности по формуле

где ΔТ— приращение температуры,°С; t — текущее время нагрева, с; η — потери тепла 0,5... 0,7; ρ — плотность материала, г/см³; с — удель­ная теплоемкость, кал/(г-°С) [1 кал/(г-°С) = 4,1868-10³ Дж/(кг-К)]. Значение остальных символов указывалось выше. Скорость нагрева обычно принимается в пределах 0,5... 1°С/с.

Из этой формулы следует, что скорость нагрева зависит от ос­новных характеристик материала (ε • tgδ) и поля (fE²). По данным табл. 2 видно, что скорость нагрева клеевого слоя будет во много раз выше скорости нагрева древесины — для жидкого клея в 60 раз, для отвердевшего только в 2 раза. Задав необходимым приращением температуры ΔТ, можно определить требуемое для этого время t. Скорость нагрева можно регулировать изменением параметров поля fE. Величина напряженности поля ограничивается пробив­ным напряжением материала и устанавливается практически в сле­дующих значениях, В/см:

Древесина влажностью свыше 15 % ............... 100

То же, до 10 %.................................................... 3000

Клей карбамидный............................................ 1200

Клей на древесине влажностью 8 %............... 1200

То же, 10 %......................................................... 1100

То же, 14 %......................................................... 700

Равномерность нагрева в поле ТВЧ зависит от соотношения раз­мера склеиваемых заготовок и длины стоячей волны, зависящей от частоты. Это соотношение лежит в пределах 0,05...0,1. Предельная частота при склеивании заготовок с длиной клеевого слоя l опреде­ляется из соотношения

где f_пред — предельная частота, МГц; l — длина клеевого слоя, м; ε — диэлектрическая проницаемость.

Необходимая мощность генератора в зависимости от объема склеиваемых заготовок и потребной мощности на нагрев 1 см³ с учетом коэффициента потерь определяется по формуле

где Р_ген — мощность генератора, кВт; Р_н — потребная мощность в наружном контуре, Вт/см³; V — объем склеиваемых заготовок, см³; η — КПД контура (0,5...0,8).

Потребная мощность потерь определяется в зависимости от потерь в клеевом слое Р_к и древесине Р_д по формуле

где h — толщина клеевого слоя, см; п — число клеевых слоев, находя­щихся в поле; b — ширина склеиваемого изделия между электродами.

При нанесении на поверхность водорастворимых клеев плот­ность в слое контакта древесины с клеем возрастает и находится в следующих пределах, г/см³: сосна, липа 0,58...0,7; бук, береза 0,68...0,8; дуб, ясень 0,75...0,9.

Средняя удельная теплоемкость древесины при температуре 130…140°С и влажности 10... 15% примерно равна 2,73 кДж/(кг-К). Удельная теплоемкость древесины, кДж/(кг-К), в зависимости от температуры Т и влажности W может быть вычислена по формуле

Если имеется генератор ТВЧ определенной мощности Р_ген, то время необходимого нагрева при склеивании с использованием этого генератора определится из выражения

где t — время нагрева, с; G — масса склеиваемых заготовок, кг; с — теплоемкость удельная средняя (1,9...2,73 кДж/(кг- К)); Т_н и Т_к — на­чальная и конечная температуры; Р_гсн — мощность генератора, кВт; η = 0,4...0,6 — КПД установки.

Для интенсификации процесса склеивания используют также токи промышленной частоты. Количество теплоты, выделяемого током промышленной частоты, определяется по закону Джоуля – Ленца:

где Q — количество выделяемой теплоты, Дж; I — сила тока, A; R — сопротивление электрическому току, Ом; t — время, с.

Выделяемая при этом теплота может подводиться к клеевому слою различными способами: предварительным нагревом склеи­ваемых поверхностей путем аккумулирования теплоты, выделени­ем теплоты проводником, помещенным в клеевой слой, прогре­вом клеевого слоя кондуктивным методом от прогреваемого током проводника или пропусканием через клеевой слой тока, прогре­вом лучистой энергией от теплоэлектронагревателей (тэнов). Оче­видно, эффективность этих методов будет разной из-за различных потерь тепловой энергии при передаче ее клеевому слою.

При использовании метода аккумулированного тепла предва­рительный нагрев склеиваемых поверхностей осуществляют кон­тактом с электронагревателем. Время контакта древесины с нагре­вателем определяется в зависимости от его температуры. Оптималь­ная температура нагревателя 200 °С. Время прогрева — 6 мин. При более высоких температурах происходит пиролиз древесины. Она темнеет.

При кондуктивном нагреве происходит передача теплоты от на­гревателя к клеевому слою через промежуточные слои древесины. Такой способ эффективен при облицовывании или приклеивании тонких слоев к массивным заготовкам.

При склеивании строительных конструкций используют конвек­ционный нагрев воздухом при температуре 160... 190 °С при скорос­ти 2 м/с. Потери электроэнергии при преобразовании ее в теплоту, воздействующую непосредственно на клеевой слой, составляют: при использовании ТВЧ — 40 %; конвекцией от калориферов — 30 %; радиацией ТЭН — 25 %; сопротивлением в клеевом слое — 10 %; кондуктивным методом — 20%; ультразвуком — 62%.

Из этих данных видно, что наиболее экономичным является метод прогрева клеевого слоя путем пропускания сквозь него тока промышленной частоты. Такой способ пока не находит широкого применения из-за технических трудностей: в клей необходимо до­бавлять токопроводящие составы. При неравномерной электропро­водности могут происходить неравномерный нагрев клеевого слоя и электрические пробои.