Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в мире 60 % железных дорог используют деревянные шпалы. Остальной процент составляют железобетонные, и полимерные шпалы. Срок службы сосновой шпалы составляет не более 12 лет, срок службы железобетонных шпал составляет около 50 лет. Недостатки присущи и железобетонным шпалам: отсутствует демпферное свойство у шпалы, из-за чего происходит разрушение колесных пар составов; увеличение случаев поражения людей электрическим током вследствие хорошей проводимости тока железобетоном; вынужденные замены из-за износа амортизационных прокладок каждые 7-8 лет, что приводит к большим затратам при эксплуатации шпал.
В России за последние 3 года стоимость сосновых шпал выросла с 400 до 800 рублей за штуку и продолжаются тенденции к росту. Связано это с тем, что на шпалы используются сортименты древесины хвойных пород диаметром не менее 33 см, запасы которых в Центральной зоне и на Урале истощены, а в Сибири и на Севере, где запасы велики, очень мало лесовозных дорог. Особенно остро эта проблема стоит не только для ОАО «Российские железные дороги», как естественного монополиста, но и для предприятий, имеющих подъездные пути, трамвайных управлений и метрополитенов, приобретающих ежегодно до 1 млн. штук деревянных шпал и где замена шпал оборачивается большими финансовыми потерями.
На лесосеках России ежегодно сгнивает порядка 70 млн. м древесины мягких лиственных пород (береза, осина, ольха, тополь и др.), состав которых в общем лесном фонде с каждым годом увеличивается, что ожидается и на ближайшие 15-20 лет.
Шпала, изготовленная из прессованной древесины по своим физико-механическим показателям не уступает деревянной, но срок службы существенно выше, чем деревянной.
Одним из основных недостатков уплотненной древесины является отсутствие формоустойчивости при воздействии влаги и воды. Влаго- и водопоглощение, а так же объемное разбухание при влаго- и водопоглощении в два и более раз выше, чем у натуральной древесины, это не позволяет изготавливать из нее шпалы. Для повышения формоустойчивости предлагается пропитать древесину перед прессованием раствором карбамида, формальдегида и воды; форконденсатом карбамидоформальдегидного олигомера; карбамидформальдегидной смолой марки КФЖ; основа этих стабилизаторов карбамидоформальдегидные соединения. При этом повышение формоустойчивости происходит на трех стадиях соединения формалина и карбамида в древесине: с помощью формалина, карбамида и воды (в щелочной среде); с помощью форконденсата карбамидоформальдегидного олигомера; с помощью карбамидоформальдегидной смолы марки КФЖ.
В перспективе планируется организовать опытно-промышленное производство железнодорожных шпал в объеме 20 тыс. штук шпал в год.
Анализ сложившегося рынка производства шпал показывает, что в ближайшее время (10-15 лет) выпуск шпал в России и мире будет иметь стабильный характер с тенденцией к увеличению через 15 лет. Выпуск шпал из формоустойчивой уплотненной древесины в планируемых объемах в течение 15 лет не приведет к насыщению рынка.
Цель исследования. Целью работы является разработка технологии повышения формоустойчивости шпал из прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера марки КФК и применение термомеханического уплотнения древесины.
Объектом исследования является механизм повышения формоустойчивости прессованной древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера марки КФК, и технология совмещенной сушки и прессования древесины.
Методы исследований. Исследования проводились на основе теоретического и экспериментального изучения процесса повышения формоустойчивости уплотненной древесины. Методика исследований проводилась в соответствии с требованиями ГОСТ на модифицированную древесину.
Значимость для теории. Разработан механизм, исключающий движение влаги и воды по водопроводящей системе древесины при использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера. Представлены предполагаемые схемы взаимодействия стабилизатора с древесиной. Реализована система прогнозирования свойств формоустойчивой уплотненной древесины на основе многокритериальной оптимизации, позволяющая находить рациональную технологию повышения формоустойчивости уплотненной древесины.
Научная новизна:
- разработан механизм повышения формоустойчивости прессованной
древесины, отличающийся тем, что полимеризация стабилизатора в полостях
анатомических элементов древесины исключает их из влаго- и водопроводящей
системы;
разработаны математические модели процесса получения прессованной древесины повышенной формоустойчивости, отличающиеся учетом концентрации карбамидоформальдегидного олигомера, степенью прессования древесины, температурой термообработки;
обоснован способ одновременной пропитки здоровой и фаутной зоны древесины, отличающийся повышением прочностных свойств фаутной зоны;
разработана технология получения деревянных шпал, отличающаяся сквозной пропиткой древесины антисептиком и стабилизатором за один цикл.
Положения, выносимые на защиту:
- механизм понижающий влаго- и водопроводность древесины, за счет
полимеризации стабилизатора в полостях анатомических элементов,
позволяющий повысить формоустойчивость прессованной древесины при
использовании в качестве стабилизатора карбамидоформальдегидного олигомера;
- математические модели повышения формоустойчивости здоровой и
фаутной уплотненной древесины, позволяющие учитывать концентрацию
стабилизатора, степень прессования и температуру термообработки;
способ одновременной пропитки здоровой и фаутной зоны древесины, позволяющий повысить прочностные свойства фаутной зоны;
технология получения шпал из уплотненной древесины повышенной формоустойчивости, позволяющая осуществлять сквозную пропитку антисептиком и стабилизатором за один цикл.
Достоверность. Достоверность научных положений основана на результатах фактического материала, полученного при проведении лабораторных исследований. В ходе проведения лабораторных исследований учитывались концентрация стабилизатора, степень прессования и температура термообработки. Полученные результаты обрабатывались методом математической статистики с использованием современного комплекса программ для персонального компьютера.
Практическая ценность работы состоит в разработке технологии повышения формоустойчивости прессованной древесины позволяющей более эффективно использовать железнодорожное полотно и увеличить срок службы шпал, а так же в сокращении расхода натуральной древесины хвойных пород за счет использования низкосортной древесины.
Полученные результаты применяются в учебном процессе при выполнении дипломных работ студентов, исследованиях аспирантов, а так же отражены в отчетах НИР кафедры.
Личное участие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении научных исследований и анализа их результатов, автором разработана технология повышения формоустойчивости прессованной древесины.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на заседаниях кафедры древесиноведения ВГЛТА (2005, 2006, 2007 годы); совместных семинарах кафедр механической технологии древесины и древесиноведения ВГЛТА 2007г.; ежегодных научно-практических конференциях ВГЛТА (2005, 2006, 2007 годы); конференции «Лесной и химический комплексы-проблемы и решения», г. Красноярск 2008г.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК, получен патент РФ на изобретение (Способ получения модифицированной древесины: Пат. 2346809 Россия МПК7 В 27 К 3/02).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и 10 приложений. Работа изложена на 171 странице машинописного текста, из них 134 страницы основного текста, 23 рисунка, 26 таблиц, список использованной литературы 154 наименований, из них 11 на иностранных языках.
