книги из ГПНТБ / Применение электронагрева при склеивании древесины

где В — величина единовременной загрузки, Л13;

t — длительность единовременной загрузки, сек.;

п — число загрузок в час.

Потребная колебательная мощность генератора Рп (в кет) рас-

считывается по формуле:

/ W \

П• 1000 7усл 0,38 4------ ^2~Л)

У\ 100/ 2

(5)

V860

где 7усл. — условный объемный вес древесины (сосны 0,43; ели 0,38; березы 0,51; дуба 0,58);

W — абсолютная влажность древесины с учетом дополнитель­ ного увлажнения при нанесении клея, %;

ti — начальная температура древесины, °C; t2 — конечная температура древесины, °C;

—термический к. п. д. установки, учитывающий тепловые

потери при нагревании склеиваемого материала, вклю­ чая частичное испарение влаги (примерно равен 0,7).

Номинальная мощность генератора:

три способа нагрева в поле токов высокой частоты:

1. Поперечный нагрев, при котором склеиваемые части древе­

сины и слои клея расположены параллельно электродам и силовые линии электрического поля направлены

перпендикулярно слоям склеиваемой детали (рис. 4). В этих условиях клей нагревается в три раза медленнее, чем древесина. Хотя прогревается весь склеи­

9

линии поля направлены параллельно слоям клея (рис. 5). Темпера­

тура в древесине и клее повышается при этом в среднем в соотноше­ нии 1 : 14, т. е. клей нагревается в 14 раз быстрее, чем древесина. При

параллельном нагреве большая часть энергии сосредоточивается непосредственно в клее, что при одинаковом расходе энергии позво­ ляет ускорить схватывание клея по сравнению с поперечным прогре­

вом. Основной недостаток данного способа

температуры клея, его влажность древесиной не снижается.

При склеивании древесины с помощью токов высокой частоты

наиболее часто применяется нагрев в параллельном электрическом поле. При работе по этому способу тепло, создаваемое токами высо­ кой частоты, концентрируется в основном клеевом шве. Очень важно, чтобы диэлектрическая постоянная смеси клея была значительно выше диэлектрических постоянных воздуха и древесины. Если между электродами находится воздух, древесина и клей, то напряженность электрического поля распределяется обратно пропорционально

диэлектрическим постоянным. Так как количество энергии, идущей на нагрев материала, пропорционально произведению квадрата напряженности поля на тангенс угла потерь, показатели которого равны соответственно 0; 0,02 и 1, то из сопоставления этих данных можно сделать следующие выводы. Если между электродом и клее­ вым швом имеется зазор, заполненный воздухом, то в воздухе тепло не образуется. Напротив, в воздушном зазоре происходит большое падение напряжения, из-за чего требуется намного большее напря­ жение на электродах, чем в том случае, когда электрод плотно при­

легает к клеевому шву. Неплотное прилегание электрода к шву вызы­

вает опасность возникновения дуги. В том случае, когда между

электродами и клеевым швом находится древесина, большая часть тепловой энергии выделяется в ней и меньшая — в клеевом шве.

При расчете распределения тепловой энергии следует учитывать также электрические емкости, образующиеся между клеевым швом и электродом, что представляет значительную трудность. Поэтому, чтобы найти наилучшее решение, часто прибегают к практическим опытам. При этом нужно иметь в виду, что если бы можно было размещать электроды непосредственно на поверхности деталей, то

10

Время, необходимое для схватывания клея, несколько больше, чем при прогревании плоскости склеивания. Однако в большинстве случаев это компенсируется значительным упрощением конструкции

приспособления и сокращением времени на установку изделия в при­ способлениях. С возрастанием расстояния между электродами необ­ ходимо увеличивать напряжение на электродах, поэтому их необхо­ димо лучше изолировать.

Нагрев в рассеянном поле токов высокой частоты используется обычно при склеивании тонких материалов, например, фанеры и др.

Электроды для высокочастотного нагрева изготавливаются из

меди, цинка, алюминия или дюралюминия, латуни, т. е. из материа­

лов, хорошо проводящих электрический ток. Часто для того, чтобы

придать электродам механическую прочность, их делают из дешевых

сортов нелегированной стали, существенным недостатком которой является низкая коррозионная стойкость в условиях склеивания — нагрева с одновременным выделением паров воды из древесины. Иногда для защиты от загрязнений и для уменьшения воздушного зазора электроды со стороны, обращенной к склеиваемому узлу,

покрывают слоем изоляционного материала — фторопласта, специ­ альной резины, нетермореактивной смолы и т. п. Эти материалы выбирают, учитывая их диэлектрические свойства, стремясь умень­ шить потери энергии на нагрев изолирующего слоя.

Электродам может быть придана разнообразная форма. Наибо­ лее распространенными являются электроды в виде плоских полос, элементов квадратного сечения, трубок, стержней. Для создания

высокочастотного поля все эти формы электродов примерно равно­ ценны, их разноообразие диктуется необходимостью встраивать элек­ троды в различные приспособления.

Во избежание электрического пробоя грани электродов должны

иметь плавные очертания с минимальным радиусом закругления

3 мм.

При схватывании клея в результате нагрева необходимо, чтобы на плоскость склеивания действовала определенная сила давления, которая предотвращала бы кипение клея. Это может быть обеспе­

чено при помощи плиты, в которую вмонтированы электроды. Но нагретые электроды могут оставлять следы на склеиваемой древе­

сине. Чтобы этих следов не было, промежуток между электродами и

склеиваемой древесиной должен быть заполнен таким материалом, который не нагревается токами высокой частоты и в то же время может выдержать необходимые давление и температуру нагревае­ мого изделия.

Для этих целей можно использовать кусок древесины большой толщины или многослойные элементы из древесины, или клееную фанеру. Зачастую из-за перегрева электрода происходит быстрая отдача влаги, а также усадка и коробление древесины. Во избежа­ ние этого между электродами и этими элементами должен быть определенный зазор, что повышает непроизводительные потери энер-

12

гии, но устраняет соприкосновение поверхности изделия с электро­ дом.

Еще один способ изготовления плиты заключается в заполнении

потери энергии. Основная трудность применения этого метода заклю­

чается в легкоплавкости материала (смолы). Кроме того, разница коэффициентов расширения плавкой смолы и металла, из которого выполнены электроды, приводит к изгибанию приспособления при

нагреве.

Была разработана конструкция плиты многоцелевого назначе­

ния, на которой электроды были заделаны в клееную фанеру. При­ чем были оставлены соответствующие зазоры между электродами и изделием с помощью покрытия, образованного специальным материалом, который почти не поглощал энергии токов высокой частоты, мог выдерживать необходимые давление и температуру и создавал ровную и гладкую поверхность плиты.

установленными на определенном расстоянии друг от друга. Среднее

расстояние между электродами 38 мм. Покрытие приклеивают

к многослойным деревянным элементам клеем, который также почти не должен поглощать электроэнергии, так как в противном случае

будет происходить его нагрев. Это потребовало продолжительной исследовательской работы по подбору соответствующего вида дре­ весины, ее расположению, а также по определению наиболее при­ годного материала для использования в качестве прокладки между электродами и склеиваемой древесиной.

Электроды должны быть изолированы от металлических кон­ струкций пресса. Наиболее рациональное решение — использование

пресса в качестве одного из электродов, что достигается заземлением одного полюса генератора. При этом, по правилам требования тех­ ники безопасности, заземляется и металлический каркас пресса. Таким образом, один электрод и пресс имеют одинаковый потен­ циал, в связи с чем отпадает необходимость изолировать эквипотен­ циальный электрод.

Если по каким-либо соображениям нельзя заземлить один полюс генератора, а электроды можно ввести в непосредственное сопри­ косновение со склеиваемой древесиной (поперечный нагрев), элек­ троды изолируются от плит изоляционными вкладышами (рис. 7).

При выборе вкладышей остаются в силе соображения о диэлек­ трических свойствах материала, имеющие целью снизить непроизво­ дительный расход энергии высокочастотного поля. В частности,

в качестве вкладышей может быть использована деревянная плита без металлических крепежных деталей. Практически установлено,

что вполне удовлетворительные результаты получаются, если тол­

13

щина вкладышей в четыре раза превышает толщину обогреваемого материала.

При нагреве материала с непараллельными кромками электроды располагают так, как показано на рис. 8. Если приложить электроды непосредственно к поверхности такого материала, то нагрев будет неравномерным: более тонкий конец нагревается гораздо быстрее толстого. Для устранения этого между материалом и электродами

помещают вкладыш из различных материалов,, имеющих примерно одинаковые электрические свой­ ства (влажность, диэлектрическая проницаемость и т. д.). Соприка­ сающиеся поверхности вкладыша

плитами пресса

и изделий должны быть «отзеркалены», а их внешние грани должны обеспечивать параллельность расположения электродов. Недостаток применения подобных вкладышей — дополнительный непроизводи­ тельный расход энергии на их нагрев.

Если ширина плоскости склеивания в различных точках неоди­

накова, то в наиболее широкой части должно быть подано большее количество энергии, так как в противном случае может произойти перегрев более узкой части. Хотя это не особенно опасно, однако

следует иметь в виду, что при этом происходит неравномерное умень­ шение влаги в клеевых слоях, которое может сказаться на поли­ ровке.

Принципиально возможно и непараллельное расположение элек­ тродов (рис. 9). Равномерность нагрева в этом случае достигается

подбором угла а. Однако этот способ не нашел широкого распро­ странения из-за трудности подбора угла и необходимости пересма­ тривать кинематику прессов, которые должны создавать усилия,

нормальные к плоскостям склеивания.

14

При склеивании узла из параллельных брусьев возможно не­

сколько вариантов расположения электродов (рис. 10). Рассматри­

вая изображение силовых линий, можно сделать вывод, что наиболее экономичен по использованию энергии тот вариант, при котором один электрод покрывает всю поверхность, а второй разделен на узкие пластинки, прикрывающие клеевой слой и непосредственно прилегающие слои древесины.

Рис. 9. Непараллельное рас­ положение электродов

Рис. 10. Варианты размеще­ ния электродов при склеивании

15

Два варианта размещения электродов для нагрева материалов малой толщины и большой площади даны на рис. 12. Расположение

четырехгранных электродов с одной стороны (нагрев в рассеянном

Рис. 12. Расположение электродов при склеивании тонких материалов большой площади

поле) используется при производстве фанеры. Для продолжитель­

ного и кратковременного обогрева тонких материалов (фанера., бумага, картон и т. п.) электроды размещают с обеих сторон изделия.

Изоляция электродов

Токи высокой частоты легко воспринимаются любыми металли­ ческими деталями, расположенными вблизи электродов. Поэтому электроды должны быть отделены и. изолированы от всех металли­ ческих деталей пресса, к которым они прикреплены.

По сообщению английских специалистов, вполне надежна изо­ ляция в форме деревянных прокладок или прокладок в сочетании с воздушным зазором общей минимальной толщиной до 76 мм.

Электроды могут быть прикреплены к этим прокладкам латунными гвоздями или шурупами.

Высокочастотная энергия подводится к электродам по коакси­ альному кабелю или металлическими шинами (лентами). Присое­ динение проводников осуществляется сваркой или болтами в тех труднодоступных местах установки, где рабочий не может прикос­

электрода.

Воздух, находящийся между электродами, снижает «угол потерь» конденсатора, а тем самым и производительность генера­

тора. Воздушные прослойки соприкасаются с древесиной, напряже­ ние распределяется обратно пропорционально диэлектрическим

постоянным, поэтому при малых воздушных зазорах интенсивность

электрического поля в воздушной прослойке превышает электричек скую стойкость воздуха, вследствие чего возникают разряды, кото­ рые приводят к обугливанию древесины в некоторых участках.

16

щих из клеевого соединения. Эти пары легче ионизируются, чем воз­ дух, и поэтому способствуют появлению искр.

Если обогреваемый материал находится в прямом соприкосно­ вении с плитами пресса, то они отнимают с поверхности материала много тепла. Чтобы уменьшить эти потери, плиты пресса нагревают

паром или электричеством приблизительно до температуры высоко­ частотного нагрева.

Подготовка древесины к склеиванию

Древесный материал используется в производстве как в виде массивной древесины, так и в виде шпона. В обоих случаях необхо­ димо тщательно контролировать гигрометрическое состояние мате­ риала. Наилучшее склеивание достигается при влажности древесины

5—10%. При чрезмерно низкой влажности содержащаяся в клее вода может перейти в древесину, и тогда он плохо распределяется по поверхности, а при последующей усушке в древесине развиваются внутренние напряжения, что ослабляет клеевой шов.

Таким образом, влажность древесины при диэлектрическом склеивании должна быть такой же, как и при остальных способах склеивания. Исследованиями Братиславского лесного научно-иссле­ довательского института (Чехословакия) установлено, что в зависи­ мости от видов клея и склеиваемого материала влажность древесины

может колебаться от 6 до 15%, фанеры — 6—8%, слоистой древе­

сины — 4—6%. Высокая влажность древесины способствует пони­ жению вязкости наносимого клея, потому что лишняя влага действует как добавочный растворитель. При уменьшении вязкости клей либо проникает в древесину, либо вытекает из клеевого шва. Кроме того,

вследствие повышенной влажности возникают пары воды, которые увеличивают вспенивание клея.

Повышенная влажность может вызвать растрескивание древе­ сины, дополнительное выжимание клея и ослабление клеевых швов, а также искрение с образованием прожогов в древесине.

Установлено, что при склеивании древесины оптимальной (6%) влажности 50% подводимой мощности идет на отверждение клея, а остальные 50% — на нагрев древесины. Если влажность древе­ сины равна 12%, то только 30% мощности используется для нагре­

вания клея, а остальная часть для нагревания и высушивания древесины. Таким образом, если количество потребляемой клеем

энергии понижается с 50 до 30%, то время, необходимое для отверж­ дения клея, в этом случае увеличивается до 2,3 мин. вместо 1,5 мин. при влажности древесины равной 6%. Такое увеличение времени не рекомендуется, а повышение напряжения (в целях ускорения

нагрева) может привести к образованию дуги.

Советскими исследователями выявлена физическая природа этого явления. С возрастанием влажности древесины увеличиваются

диэлектрическая проницаемость е и коэффициент диэлектрических потерь .tg 8 Исследована также зависимость tg 8 от частоты: мак-

18