НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ШПАЛ

SOME ASPECTS OF THE MODIFICATION OF WOOD FOR THE PRODUCTION OF RAILWAY SLEEPERS доктор технических наук, профессор кафедры древесиноведения

Шамаев В.А.

ФГБОУ ВПО « Воронежская государственная лесотехническая академия»

Shamaev V.A.

FSBEIНРЕ «Voronezh State Academy of Forestry and Technologies»

Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

DOI: 10Л2737/2999

Abstract. Wooden sleepers currently applied in the Russian Federation are manufactured mainly from wood of pine, their average service life due to the low density and large ways of load intensity is 12-15 years. For comparison, in developed countries of Europe and America sleepers are made of wood of firm deciduous woods (an oak, a beech, a tropical species, and their service life is 50 years). The consequence of this is the necessity of frequent replacement with the related costs for its implementation. Analogue is proposed as a material for the production of sleepers - modified wood. Modified wood is used for 20 years for the manufacture of sleeves, bearings in the oil industry.

Keywords: railway sleepers; modified wood.

Около 90 % всех железнодорожных шпал в мире изготавливаются из древесины твердых лиственных пород (дуб, бук, тропические породы). В России эти породы являются дефицитными и шпалы делают из железобетона. Бетонные шпалы также как и дубовые служат 50 лет, но амортизирующие прокладки (скрепления) приходится менять каждые 7-8 лет, т.е. за 50 лет 6-7 раз, что удорожает стоимость эксплуатации. Разработанные способы модифицирования древесины мягких лиственных пород /1-3/ позволяют упрочнять древесину до прочности дуба, при этом получаемая шпала стоит вдвое дешевле дубовой.

80% древесины мягких лиственных пород диаметром 25 см и более имеет в центральной части гниль (фаутную зону), у которой прочность в среднем вдвое ниже, а проницаемость для жидкостей в 1,5 - 3 раза выше, чем у здоровой древесины. Диаметр такой пораженной грибами зоны колеблется от 10 до 15 см в зависимости от возраста древесины и, соответственно, диаметра ствола. Недостатком этого способа, является невозможность качественной обработки древесины, содержащей фаутную зону, т.к. из-за большой рыхлости фаутной зоны пропиточная жидкость будет проходить только через фаутную зону из-за большего сопротивления здоровой зоны. В результате получаемая модифицированная древесина имеет низкое качество.

Техническая задача, на решение которой направлено исследование - повышение качества модифицированной древесины для шпал.

В предлагаемой технологии, включающей пропитку сырого бревна древесины мягких лиственных пород с фаутной зоной, включающий пропитку сырой цилиндрической заготовки маслянистым антисептиком с торца под давлением и одновременную сушку-прессование, предусмотрено что здоровую зону древесины пропитывают маслянистым антисептиком, а фаутную зону смесью маслянистого антисептика и упрочняющего раствора содержащего растворитель - керосин или уайт-спирит и упрочняющее вещество выбранное из группы, включающей: отходы производства каучука - кубовые остатки ректификации бутадиена, кубовые остатки ректификации толуола, и фенолоспирты. Количество упрочняющего раствора определяют по формуле:

где м - количество упрочняющего раствора, л, нз - твердость здоровой зоны, н /мм2, нф - твердость фаутной зоны, н /мм2,

С - концентрация упрочняющего раствора в фаутной зоне, л/ м3,

У - объем фаутной зоны, м3,

? - коэффициент, учитывающий уменьшение диаметра фаутной зоны от комлевой части бревна к вершинной, 0,8<&<1

Помимо этого в качестве упрочняющего раствора возможно использование форконденсата карбамидоформальдегидного олигомера (КФК).

На рисунке 1 показан прибор для определения соотношение твердости

здоровой зоны к твердости фаутной зоны Прибор для определения соотношения величины твердости здоровой зоны к твердости фаутной зоны

Рисунок 1 - Прибор для определения соотношения величины твердости здоровой зоны к твердости фаутной зоны

Прибор работает следующим образом, рукояткой 1 реперы 2 внедряются одновременно в здоровую 3 и фаутную 4 зоны древесины. Сопротивление внедрению показывают, соответственно твердомеры 5 и 6, соотношение твердости

здоровой зоны к твердости фаутной зоны указывает стрелка 7.

На рисунке 2 представлена схема пропиточного устройства для раздельной пропитки фаутной и здоровой древесины

Пропиточное устройство для раздельной пропитки фаутной и здоровой древесины

Рисунок 2 - Пропиточное устройство для раздельной пропитки фаутной и здоровой древесины

Пропиточное устройство состоит из внешней головки 8, цилиндрический нож, которой внедряется в здоровую древесину 3 и внутренней головки 9, цилиндрический нож, которой внедряется в фаутную зону 4. Во внешнюю головку 8 поступает маслянистый антисептик 10, а во внутреннюю головку 9 смесь 11 из маслянистого антисептика и упрочняющего раствора, которая поступает из смесителя 12.

Технологический процесс осуществляется следующим образом. Прибором, показанным на рисунке 1 находится соотношение величины твердости

здоровой зоны к твердости фаутной зоны Н Ун ф , т.е. степень поражения грибами центральной зоны ствола и визуально определяется коэффициент к учитывающий уменьшение диаметра фаутной зоны от комлевой части бревна к вершинной.

После этого сырая заготовка шпалы диаметром 25 см, длиной 2,75 м помещается в пропиточную установку и с помощью гидроцилиндра пропиточные головки 8 и 9 внедряются на глубину 15 мм в торец заготовки, содержащей здоровую 3 и 4 фаутную зоны.

В головку 8 закачивается маслянистый антисептик, например, известные антисептики, такие как жидкость техническая консервационная (ЖТК) или жидкость термокаталитического крекинга, или каменноугольное масло и происходит сквозная пропитка под давлением 8 атм. в течение 12 мин.

По формуле 1 находится объем пропиточного раствора, который необходимо ввести в данную заготовку. Из смесителя 12 дозированно в пропиточную головку 9 закачивается смесь 11 упрочняющего раствора и маслянистого антисептика и под давлением 8 атм. Одновременно с пропиткой здоровой зоны 3 происходит пропитка фаутной зоны 4 в течение 8-10 мин.

Пропитанные заготовки помещают в сушильно - прессовую камеру УПС- 8 В (02) и сушат при температуре 105°С в течение 22 ч до влажности 20% с однепременным уплотнением при механическом давлении 0,8 МПа с получением в сечении прямоугольного профиля готовой шпалы 18x25 см. В процессе сушки происходит полимеризация упрочняющего вещества и прочность фаутной зоны возрастает до прочности здоровой зоны заготовки. В результате получается готовая шпала, имеющая по всей толщине и длине равную прочность и равномерное распределение антисептика.

Для увеличения срока службы деревянной шпалы до 30 - 50 лет в условиях РФ предлагается следующее техническое решение.

В деревянной шпале, состоящей из массива прессованной древесины и двух вставок из прессованной древесины, установленных в местах крепления стальной прокладки к шпале, прессованная древесина вставок выполнена с рабочей торцовой поверхностью плотностью 900 - 1000 кг/м3, влажностью 10- 12% и содержит кубовый остаток ректификации стирола в количестве 15-17% от массы сухой древесины, обеспечивающий величину предела прочности при скалывании вдоль волокон не менее 20 МПа величину сил разбухания поперек волокон не более 10 МПа, а высота вставок составляет не менее 30 мм. [2].

Известно, что наиболее износостойкой поверхностью древесины является торец или в направлении вдоль волокон. Соотношение истирания в направлениях: торец, параллельно волокнам: перпендикулярно волокнам равно: 1:3:9.

Следовательно, наличие вставки из прессованной древесины с рабочей торцовой поверхностью обеспечит ее износ под металлической подкладкой в 3 раза меньший, чем у шпалы [2]. Однако для выполнения этого условия необходимо, чтобы древесина вставок имела предел прочности при скалывании вдоль волокон не менее 20 МПа (прессованная древесина имеет предел прочности 12- 14 МПа). Для этого при получении прессованной древесины вставок в нее вводят кубовый остаток ректификации стирола (КОРС) в количестве 15-17 % от массы сухой древесины, обеспечивающий величину предела прочности при скалывании вдоль волокон 24 МПа. Если содержание КОРС менее 15 %, величина предела прочности составляет менее 20 МПа, а увеличение содержания КОРС более 17 % снижает величину предела прочности при скалывании вдоль волокон, т.к. материал становится хрупким.

Другим важным фактором является величина сил разбухания прессованной древесины поперек волокон. Если силы разбухания превышают величину предела прочности при раскалывании прессованной древесины шпалы (8-9 МПа), то при разбухании древесины вставок после атмосферных осадков вставки разорвут шпалу пополам по всей длине. Величина сил разбухания прессованной древесины составляет 16-18 МПа, а древесины, содержащей 15-17% кубовых остатков ректификации стирола 4-5 МПа. Кубовый остаток ректификации стирола является единственным промышленным модификатором, сохраняющим прочность в эксплуатационных условиях не менее 50 лет, как видно из таблицы.

Таблица - Время потери 50% исходной прочности древесины при нахождении на открытом воздухе на грунте (время по результатам ускоренных испытаний в термоклимокамере старения)

п/п

Материал

Предел прочности при скалывании вдоль волокон древесины влажностью 22%

Время старения, лет

1.

Древесина дуба, обработанная маслянистым антисептиком

6,9

Не менее 100

2.

Древесина прессованная, обработанная :

Маслянистым антисептиком

**

9-10

80-85

3.

Термопластичными полимерами

13-16

15-20

4.

Термореактивными полимерами

7-8

25-30

5.

Кремнийорганическими жидкостями

12-13

35-40

6.

Изопреновыми каучуками

26-27

40-45

7.

Кубовым остатком ректификации стирола (КОРС)

31

50

  • * - содержание модификатора 15-17% по отношению к массе абс. сухой древесины;
  • ** - полистирол, полиметилметакрилат, поливинилацетат, поливинилхлорид, поливинилиденхлорид, диизоцианат и их смеси;
  • *** - фенолформальдегидегидные смолы, карбамидоформальдегидные смолы, меламиноформальдегидная смола, эпоксидная смола, полиэфирная смола, фурановая смола и их смеси.

Библиографический список

  • 1. Патент РФ №2128113 Способ получения модифицированной древесины Шамаев В.А., Гвозденко С.П., Томин А.А., ЗАО «Эласт» заявка №96114645/04 от 09.07.1996г. опубликовано 27.03.1999г. Бюл. №30-2002г.
  • 2. Патент РФ №2227779 Устройство для пропитки древесины под давлением Шамаев В.А., Панявин С.Н., Скориданов Р.В. Воронежская государственная лесотехническая академия, по заявке 2003103923/12 от 10.02.2003г. опублик 27.04.2004г. Бюл. №12
  • 3. Патент РФ №2185958 Способ изготовления деревянной шпалы Шамаев В.А., Сидельников А.И., Томин А.А., Шамаев Владимир Александрович, заявка № 2000131727/13 от 18.12.2000г. опублик. 27.07.2002г. Бюл. № 21.
  • 4. Патент РФ №2346809 Способ получения модифицированной древесины Шамаев В.А., Медведев И.Н., Златоустовская В.В., Анучин А.И. ООО «Лигнум», заявка №2007112593/04 от 04.04.2007, опубликована 20.02.2009г. Бюл №5.
  • 5. Патент РФ №2400587 Деревянная шпала Шамаев В.А., Медведев И.Н, Овчинников В.С., Кондратюк В.А. ООО «Лигнум», ФГУП ГНЦ ЛПК, заявка № 2009128286/12, от 21.07.2009г. опубликовано 27.09.2010г. Бюл. № 27
  • 6. Шамаев В.А. «Модифицирование древесины» [текст], В.А. Шамаев, Н.С. Никулина, И.Н. Медведев, М.: «Флинта», «Наука», 2013 -455с.

УДК 674.812

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >