Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Polimermérnőki Tanszék
Rétegelt fa lemezrugó tulajdonságainak vizsgálata. SZAKDOLGOZAT
Készítette: Pribék Beáta Műszaki Anyagtudományi Kar Levelező tagozat Konzulens(ek):Dr.Szabó Imre
2014 Miskolc
Igazolás
Alulírott Pribék Beáta (Neptun kód: QNDB7G, született: Miskolc) igazolom, és büntetőjogi felelősségem tudatában kijelentem, hogy a leadott szakdolgozat a saját munkám.
Miskolc, 2014.11.24 _________________________________ hallgató
Az igazolást átvettem.
Miskolc, __________________________________ tanszékvezető
A szezői jogok részleges átadásáról szóló nyilatkozatt
Alulírott Pribék Beáta (Neptunkód:QNDB7G.szül.hely:Miskolc év:1986 hónap:08 nap:20) ezúton nyilatkozom, hogy a dolgozat nem tartalmaz a tudományos etikát, valamint vállalatok és intézmények érdekeit sértő bizalmas információkat. Dolgozatom az Egyetemi Könyvtár részére mind elektronikus-, mind nyomtatott formában átadható, és annak tartalma a Szerző nevének és a Dolgozat címének feltüntetésével nyilvános tárhelyre feltölthető.
Miskolc,2014.11.24 _________________________________ hallgató
Az igazolást átvettem.
Miskolc, __________________________________ intézetigazgató
Köszönetnyilvánítás Ahhoz, hogy a diplomamunkám elkészüljön sok ember támogatására szükségem volt. Szeretném megköszönni mindenek előtt a családom támogatását, különösen a páromét aki tanácsaival illetve otthoni munkájával végig támogatott az egyetemi éveim alatt. Köszönöm Dr. Szabó Imre konzulensemnek a szakdolgozat során adott hasznos ötleteit és jó tanácsait, és nem utolsó sorban a kitüntető bizalmát, amelyek hozzájárultak ennek a szakdolgozatnak a létrejöttéhez. Hálával tartozom mindazoknak akik a dolgozat megírásához tanácsaikkal, odafigyelésükkel, és szaktudásukkal segítették a munkám. Mindezeken túl köszönöm a támogatást a barátaimnak akikkel az elmúlt éveket együtt töltöttem, vidámságukkal, derüjükkel, szakmai és élet tapasztalataikkal segítettek.
i
Szakdolgozat feladatkiírás Pribék Beáta Bsc levelező tagozatos hallgató részére
Dolgozat címe: Rétegelt fa lemezrugó tulajdonságainak vizsgálata. Elvégzendő feladatok: - Mutassa be a rétegelt fa lemezrugó gyártás technológiáját, állítson össze a dolgozat témájához kapcsolódó szakirodalmi összefoglalót. - Foglalja össze a mérési eredményeit, mutassa be a mérés folyamatát. - Mutassa be a mérési eredményei alapján levonható következtetéséket. - Tegyen javaslatot, hogy a vizsgálatok alapján melyik tipusú fa alkalmas a gyártáshoz.
A Diplomamunka leadási határideje:2014.11.24. A Diploma terjedelme terjedelme: min. 50, max 60 A/4 oldal
Belső konzulens: Dr.Szabó Imre
Miskolc, 2014.11.24.
__________________________________ intézetigazgató
ii
Tartalomjegyzék 1.Bevezetés ................................................................................................................................. 2 2.A szakirodalom feldolgozása ................................................................................................ 3 2.1.A rugók kialakítási- és beépítési lehetőségei .................................................................... 3 2.1.1.Acélrugók ................................................................................................................... 3 2.1.2.Fém réteges lemezrugók............................................................................................. 4 2.1.3.Kárpitos-rugók ........................................................................................................... 8 2.2.A hajlítás elméleti alapjai................................................................................................ 11 2.3.A fa nedvességtartalma f ................................................................................................. 14 2.3.1.Egyensúlyi fanedvesség ........................................................................................... 17 2.3.2.A fanedvesség mérése .............................................................................................. 19 2.4.A kísérletekhez felhasznált fafaj ..................................................................................... 20 2.4.1.Elnevezések .............................................................................................................. 20 2.4.2.Fizikai tulajdonságok ............................................................................................... 20 2.4.3.Mechanikai tulajdonságok........................................................................................ 21 2.4.4.Megmunkálási sajátosságok ..................................................................................... 21 2.5.A fa hosszirányú tömörítése ........................................................................................... 22 2.5.1.A tömörtett fa mechanikai tulajdonságai ................................................................. 24 2.5.2.Összefoglalás ............................................................................................................ 26 2.5.3.Következtetések: ...................................................................................................... 26 2.6.A faanyag rugalmasságának jellemzése.......................................................................... 27 2.6.1.A rugalmassági modulusz (Young-féle modulusz)) ................................................ 27 2.6.2.A rugalmassági-alakváltozási jellemzők meghatározása ......................................... 30 2.6.3.Befolyásoló tényezők ............................................................................................... 31 2.6.5.A minimális hajlítási sugár meghatározása. ............................................................. 32
iii
3.A szakdolgozat kiírásában meghatározott feladatok megoldása .................................... 37 3.1.Rétegelt fa lemezrugók geometriai méreteinek és szerkezeti felépítésének meghatározása. ...................................................................................................................... 37 3.2.Lamellák nedvességtartalmának és vízfelvételének meghatározása............................... 42 4.Eredmények. ........................................................................................................................ 52 5.Összefoglalás ........................................................................................................................ 53 6.Felhasznált irodalom ........................................................................................................... 54
iv
Absztrakt Szakdolgozatomban a rétegelt fa lemezrugó tulajdonságait vizsgáltam. Szakirodalmi adatok (fém,- műanyag,- és farugók), valamint a kísérleti körülmények figyelembe vétele alapján, meghatároztam a vizsgált rétegelt fa lemezrugók geometriai méreteit és szerkezeti felépítését. Különböző rétegelt fa lemezrugókat készítettem, amelyeknek többek között a rugalmassági tulajdonságát vizsgáltam. A rugóelemek (lamellák) szárításához és hajlításához terveztem és készítettem sablonokat a törésmentes hajlítás törvényeinek (nedvességtartalom, hőmérséklet, és h/R viszony) figyelembevételével. Megvizsgáltam és elemeztem a lamellák rugalmassági modulusának hatását, a rétegelt lemezrugó tulajdonságaira, és a fa hosszirányú tömörítésének hatását a rugalmassági modulus változására. A mérési eredményeket értékelve, néhány megfigyelést és javaslatot tettem a kisérleti eredmények gyakorlati alkalmazására.
v
1.Bevezetés A szakdolgozatom témájául a rétegelt fa lemezrugót válsztottam. Ennek az az oka, hogy az utóbbi évtizedekben a fa felhasználási területe láttványos fejlődésen ment át. Ugyanakkor a fából készült termékek megítélésében kettőség mutatkozik. Az általában kedvező érzelmi kötődés mellett, a fához számos kedvezőtlen kép kapcsolódik. Ilyen például a tűzveszély és a rövid élettartam. Ezért szerettem volna a szakdolgozatomban bemutatni a fából készült rétegelt lemezrugót, mint a modern, minden igényt kielégítő, környezettudatos nélkülözhetetlen eszközt. A szakdolgozatom a rétegelt fa lemezrugó készítéséről, vizsgálatáról, és tulajdonságáról szól. Különböző szakirodalmak megismerése és feldolgozása után készítettem a vizsgálatokhoz, szárításához és hajlításához sablont, amelyhez figyelembe vettem különböző szempontokat. Többek között a törésmentes hajlítás törvényeinek (nedvességtartalom, hőmérséklet, és h/R viszonyt). Ezek után hozott anyagból (bükk fából) elkészítettem több rétegelt lemezrúgót, amelyeket több szempont alapján vizsgáltam. Szerettem volna választ kapni arra, hogy a lamellákra milyen hatással van a szárítás, hajlítás és a rétegződés, és még többek között arra, miben befolyásolja az ív a vastagság és hossz aránya a rugalmas alakváltozást.
2
2.A szakirodalom feldolgozása
A szakdolgozat-kiírásban meghatározott feladatok alapján az alábbi témákkal foglalkozó szakirodalmak áttekintését tartom szükségesnek:
2.1.A rugók kialakítási- és beépítési lehetőségei A rugók olyan gép-elemfajták, amelyek a rájuk ható erők vagy nyomatékok hatására nagy rugalmas alakváltozás közben mechanikai munkát deformációs munka alakjában halmoznak fel. Ez az alakváltozási munka megfelelő körülmények között ismét visszaalakul mechanikai munkává, más részét felemésztheti a súrlódás. A rugó sokféle feladatra alkalmazható. Láttuk már szerepét pl. a rugalmas tengelykapcsolóban. De lehetnek energiatárolók, csillapíthatnak lökésszerű igénybevételeket ütközőkben, működhetnek rezgéscsillapítóként alapozásokban. Használhatók mozgások szabályozására mechanizmusokban, vezérlőszerkezetek működtetésére, erők továbbítására, lengő szerkezetekben szerepelhet rezgő elemként (lengő sziták). Erőmérésre is használják őket, pl. a rugós mérlegekben. Az igénybevételtől függően a rugó keresztmetszetében lehet húzó vagy nyomó igénybevétel, lehet továbbá hajlítás vagy csavarás. A keresztmetszet lehet kör vagy négyszög, a hajlított rugók, mint laprugók inkább négyszög keresztmetszetűek, viszont a torziós rugók esetében inkább a kör keresztmetszetet alkalmaznak. Alakjuk szerint: kör- vagy négyszög szelvényű hengeres, ill. kúpos csavarrugók, lap-, rud-, csavart, gyűrű-, tányér, spirál-és tekercsrugók. Karakterisztika szerint: progresszív, lineáris és degresszív.
2.1.1.Acélrugók A rugók anyagául általában nagy rugalmassági határral bíró anyagokat használnak.A rugalmassági tényező acélrugónál általában E = 2,1 • 106 kp/cm2. A rugalmassági tényező azonban E = 1,8 - 2,4 • 106 kp/cm2 között változhat.
3
Ez a körülmény különösen a több darabból összeépített réteges lemezrugóknál okozhat kellemetlenséget, mert ha ilyen rugónál a kis rugalmassági tényezővel bíró lemezek' közé egy nagy rugalmassági tényezőjű lemez kerül, akkor ez utóbbi túl-igénybevételt szenvedhet. Ezért célszerű arra törekedni, hogy egyforma minőségű és egyforma hőkezeléssel ellátott darabok kerüljenek összeépítésre[1]. 1. ábra. A rugók kialakítási lehetőségei.
2. ábra. Rugók jelleggörbéi.
4
A rugók anyagául általában nagy rugalmassági határral bíró anyagokat használnak.A rugalmassági tényező acélrugónál általában E = 2,1 • 106 kp/cm2. A rugalmassági tényező azonban E = 1,8 - 2,4 • 106 kp/cm2 között változhat. Ez a körülmény különösen a több darabból összeépített réteges lemezrugóknál okozhat kellemetlenséget, mert ha ilyen rugónál a kis rugalmassági tényezővel bíró lemezek' közé egy nagy rugalmassági tényezőjű lemez kerül, akkor ez utóbbi túl-igénybevételt szenvedhet. Ezért célszerű arra törekedni, hogy egyforma minőségű és egyforma hőkezeléssel ellátott darabok kerüljenek összeépítésre [1] Farugókat[2],
esetleg
rétegezett
faanyagból
készítve,
kiterjedten
használják
lengőszitákhoz, rugós kalapácsokhoz, mezőgazdasági és malomipari gépekhez. A gumi, mint rugóanyag szintén kiterjedten használatos. Előnyös tulajdonsága a nagy nyúlóképessége és az erős belső csillapítása. Ezért olyan helyen kiválóan alkalmazható, ahol nagy rugózási úthosszra van szükség, továbbá ahol a keletkező lengéseket erősen kell csillapítani, ez utóbbi követelmény miatt gépek rugalmas alapozására célszerűen alkalmazható.
2.1.2.Fém réteges lemezrugók Gépkocsik, vasúti kocsik, mozdonyok és egyéb járművek, stb. alváz felfüggesztésének leggyakrabban használt rugalmas eleme a réteges lemezrugó (réteges hajlított laprugó). A réteges lemezrugó széleskörű elterjedését az alábbi körülmények indokolják: - gyártástechnológiája és rögzítése egyszerű, - nemcsak függőlegesen, hanem vízszintesen is terhelhető, - a rugólapok között keletkező súrlódás igen jól csillapítja a rezgéseket. A réteges lemezrugó különböző hosszúságú, egymásra helyezett lapokból áll. Mivel az egyes lapok meglehetősen vékonyak, a rugó lehajlása nagy lehet, anyagának képlékeny alakváltozása nélkül is. Az igénybevétel és alak szempontjából a réteges lemezrugó több típusát különböztetjük meg.
5
3. ábra. Lemezrugó-típusok. a) fél elliptikus-, b) konzolos, c) negyed elliptikus réteges lemezrugó.
A legelterjedtebb a fél ellipszis alakú rugó[3.a.], amelyet a lapvégeken kiképzett szemekkel és a rugó közepén elhelyezett kengyellel rögzítünk. A rugókat konzolos formában is használják[3.b]; a konzolos rugó („kantilever") egyik végét a kocsi tengelyére terhelik, a másik végét és közepét a karosszériához erősítik. Ritkábban használják a negyedellipszisalakú rugót; a rugó egyik végét befogják, a másikat terhelik. (Méretezés szempontjából a negyed-ellipszisalakú rugót vizsgálják, mert a fél ellipszis alakú, mind a konzolos rugók negyed-ellipszisalakú darabokból áll). Az említett rugók jelleggörbéje egyenes (lineáris), bizonyos esetekben azonban nem lineáris jelleggörbéjű rugókat is alkalmaznak. Az ilyen rugók merevsége növekszik a behajlás növelésekor („keményedő rugók”). Ilyen rugók járművekbe építve sokkal kényelmesebb utazást biztosítanak, mivel terheléskor a rezgő tömeg változásával egyidejűleg és arányosan a felfüggesztés merevsége is változik. A keményedő rugók merevségének változását az egyes rugólapok között létesített hézag[4.a.], vagy pedig a rugófelfüggesztés megfelelő szerkezeti kialakítása biztosítja[4.b]. Az utóbbi esetben működés közben a rugó működő hossza is változik.
6
4. ábra. Nemlineáris jelleggörbéjű lemezrugó.
A réteges lemezrugó lapjait lágyacélból készült pánt tartja egybe. Az egyes lapok felül barázdával, alul taréjjal vannak ellátva, amelyek egymásba nyúlva, oldaleltolódás ellen adnak biztosítást[5]. A lapok hosszanti eltolódásának megakadályozására középütt csavart vagy szegecset elhelyezni hátrányos, mert a furat a feszültséggyűjtő hatása következtében nagyon gyöngíti a leginkább igénybe vett középső keresztmetszetet. Célszerűbb pánttal szorosan összefogni őket. Az összeszorítást a felső rugólapnál, a pántba bekalapált ékkel is növelhetjük. A réteges lemezrugók rendszerint ellipszisív alakúak. Az ívmagasságot célszerű úgy megállapítani, hogy a legnagyobb terhelésnél legyen a rugó közel a kiegyenesedett állapotához[3]. 5. ábra. Réteges lemezrugó.
7
6. ábra. Réteges lemezrugó szerelési rajza.
A lemezrugó összeszerelése folyamatosan történik. Az öt rugólapból (lamella) álló réteges lemezrugó lapjai között terheletlen állapotban s1, s2, s3, és s4, hézag van. Tegyük fel, hogy először az ötödik (alsó) és a negyedik rugólapot szorítjuk össze, majd az összeszorított lapokhoz szorítjuk a harmadikat stb. [6.b.e]
2.1.3.Kárpitos-rugók Fémrugók A kárpitozott bútor rugalmas funkciójának legfontosabb hordozója a rugózat. A hagyományos kárpitozás ülő- és fekvőfelületei, de igényesebb bútoroknál a támla és a kar könyöklő része elképzelhetetlen magas rugózat nélkül. A rugóelemeket többféle huzalvastagsággal és menetszámmal gyártották, ezen kívül a kárpitos félbevághatta (egytölcséres rugó), levághatott 1/4-3/4 menetet belőle, és még alakíthatta is, így minden célra a legmegfelelőbb rugóelemet tehette.
8
Tölcsérrugók (kúpos csavarrugók): A kárpitos iparban legrégebben alkalmazott rugóféleség a nyomórugónak egy sajátos változata. Alakja miatt tölcsér rugónak szokták nevezni. A tölcsérrugók kétszer kúpos (két tölcséres) és egyszer kúpos (egy tölcséres) alakkal, csomózott vagy csomózatlan kivitelben készülhetnek
[7]
. A tölcsér rugókat felhasználási szempontból a huzalátmérő (tized mm-ben)
és a menetszám szerint különböztetik meg. Anyaguk keményre húzott acélhuzal. 7. ábra. Kétszer kúpos (tölcsér) rugó: a) nyitott végű, b) csomózott végű. c) Egyszer kúpos (tölcsér) rugó.
a,
b,
b,
9
c,
c,
8. ábra. Műanyag rugó
9.ábra.Műanyag rugók a kárpitos kereten/keretben. a-felül-, b- alul-, c- oldalnézet.
b
a
10
c
10.ábra. Négyszög keresztmetszetű, nyomott fa-csavarrugó: a- hengeres, b- kúpos, c- dupla kúpos.
a
b
c
2.2.A hajlítás elméleti alapjai Ha egy farúdat hajlításnak vetnek alá, akkor a húzott oldal — törésig bekövetkező – végső megnyúlása (Eh ) lényegesen kisebb, mint a nyomott homorú oldal, nyomási rövidülése (Eny). A túlzottan meghajlított rúdban a törés először a húzott oldalon következik be. Ennek oka, hogy a fa lényegesen nagyobb tömörítést képes elviselni, mint megnyúlást. A feszültségi-, és alakváltozási diagramot[11] (húzásra és nyomásra) a hasonlítjuk össze, amely jól szemlélteti, hogy a nyújthatóság mintegy 30 %-kal, az összenyomhatóság viszont 25-30-szorosára növekszik. 11.ábra. Feszültségi és alakváltozási diagram. húzó ,N/mm2 Gőzölt bükk, U=35%
T=0 °C
140
Gőzöletlen bükk, U=17% p=0,5 att
T=50 °C
h
h
100
t= 50 perc 60 rövidülés, ny 35%
25
20 15
5
T= 50°C
0
ny
ny T= 0°C
0 20
1
40
nyomó, N/mm2
11
2
nyúlás, h
3%
A fa — hidegen is, de különösen melegen — jól hajlítható. Ennek az a magyarázata, hogy a fában a lignin amorf állapotban van jelen, és a cellulózrostokat úgy veszi körül, mint a beton a vasbetétet. A lignin a főzés, vagy a gőzölés hatására plasztikussá válik, ami hajlításkor lehetővé teszi a rostok elmozdulását. A túlzottan meghajlított rúdban a törés először a húzott oldalon következik be. Ennek oka, hogy a fa lényegesen nagyobb tömörítést képes elviselni, mint megnyúlást. Ha egy tetszőleges szilárd test (jelen esetben egy tömörfa alkatrész) mely h vastagsággal rendelkezik, egy R sugarú sablonra hajlítunk[12] , akkor benne — a rugalmas alakváltozás hatására — a külső (domború) oldalon húzóerők, a belső (homorú) oldalon pedig nyomóerők keletkeznek; közöttük a semleges zóna helyezkedik, ahol a normál feszültségek értéke nulla. 12.ábra.Az alkatrész méretváltozása hajlításkor l1=l0+lh - külső (húzott) szál; l0- középső (semleges) szál; l2=l0 - lny - belső (nyomott) szál, h- az alkatrész vastagsá R - hajlítási sugár; - hajlítási szög
l1=l0+ lh l0
l2=l0-lny
h
R
Ha a húzó-, és nyomófeszültségek azonos nagyságúak, akkor a semleges zóna az alkatrész középvonalával esik egybe. A húzott oldalra bütü-szorítókkal szilárdan felerősített húzószalag alkalmazásával a semleges szál a húzott oldal felé tolható[13] .
12
13.ábra. Acél húzószalag alkalmazása bütü-szorítóval. 1- acél húzószalag; 2- állítható bütüszorító; 3- alkatrész. 2
1
3
A rostokkal párhuzamos maximális nyomó (ny) - és húzó (h) alakváltozás, valamint a hajlítandó alkatrész geometriai méretei (h, R) között felírható a hibamentes hajlítás összefüggése: h ny h R 1 ny
illetve, ha a húzószalag alkalmazásával a húzási megnyúlást kiküszöböljük: ny h R 1 ny
A száraz és hideg fa alacsony plasztikus tulajdonságokkal rendelkezik. Ha a faanyag nedvességtartalma alacsony W = 8 2 %, akkor normál hőmérsékleten (t=20°C) az alkatrész vastagsága és a hajlítási sugár közötti viszony:
h 1 1 R 100 80 Ebben az esetben, ha a hajlítandó alkatrész vastagsága h = 20 mm, akkor a hibamentes hajlítás sugara (h/R = 1/80 viszony mellett) R = 1600 mm. Látható, hogy ez a módszer a bútoralkatrészek hajlításánál nem alkalmazható, az igen nagy hajlítási sugár miatt.
13
A nedves fa W = 25–30 % nedvességtartalom mellett már jobban, de nem eléggé hajlítható. Ilyenkor a h/R viszony:
h 1 1 R 60 50 A fa maximális plaszticitása W = 25–30 % nedvességtartalom és t=70–80°C hőmérsékleten érhető el. A h/R viszony:
h 1 1 R 30 20 Ebben az esetben, ha h = 20 mm, akkor R = 500 mm. Ilyen sugár alkalmazásának már reális lehetőségei vannak a bútoralkatrészek hajlításánál, acélszalag felhasználása nélkül. A hajlítási sugár további csökkentése (azonos rétegvastagság esetén) acélszalag alkalmazásával érhető el. Ha az alkatrész nedvességtartalma W = 25–30 %, hőmérséklete t=70-80°C és acélszalagot is alkalmaznak, akkor a h/R viszony:
h 1 1 R 4 10 A fentiek alapján megállapítható, hogy a faanyagok hajlíthatóságát az alábbi tényezők befolyásolják: a fafaj, a fa sűrűsége, a fa szöveti szerkezete, a fa nedvességtartalma, a fa egészségi állapota és a fa előkezelése. A fenti viszonyszámok ismerete a gyakorlatban nagymértékben segíti a hajlítási mód kiválasztását és a biztonságos hajlítási sugár meghatározását.
14
2.3. A fa nedvességtartalma f A természetes fa (fatest) inhomogén, anizotrop kapillár-porózus szilárd test. így más porózus testekhez hasonlóan képes a levegőből vizet adszorbeálni, és kapilláris rendszerével folyékony vizet és oldatokat szállítani. A víz a fatestben két formában van jelen: - kötött vízként, a sejtfalakban molekuláris adszorpció formájában, és - szabad vízként, a sejtek makroszkópos pórusaiban (kapillárisaiban). Nedvességtartalmi fokozatok: A fa nedvességtartalmát illetően három határértéket és több közbenső fokozatot célszerű megjelölni. A három határérték: - abszolút száraz állapot (u=0%), - rosttelítettségi pont (átlagosan u30%), - abszolút nedves (víztelítettségi) állapot (u=umax). A nedvességtartalmi fokozatok együttesen az alábbi táblázatban találhatók. 1. táblázat. Nedvességtartalom.
Megnevezés
Nedvesség-tartalom u, %
Abszolút száraz
0
Túlszárított
6 (0…6)
Szobaszáraz
8 (6,1…12)
Légszáraz
12
(labor) Légszáraz
18 (12,1…18)
(üzemi) Félszáraz
25 (18,1…30)
Rosttelítettség
30
Félnedves
50 (30,1…50)
Élő nedves
89 (50,1)
Abszolút nedves
138
15
Az abszolút száraz állapotot csak szárítószekrényben érhető el. E fokozatnak nagy jelentősége van a tudományos kutatásban és a fa nedvességtartalmának meghatározásakor száraz tömeg szerinti átvételekor. A „túlszárított" fokozatnak a különösen száraz klímájú helyiségekben alkalmazott fatermékeknél és egyes gyártási technológiáknál (pl. táblásított parketták) van gyakorlati jelentősége. A „szobaszáraz" fokozatnak rendkívüli a gyakorlati jelentősége: minden fűtött helyiségben használt bútort és egyéb faterméket (így a spirál farugót is) erre a fokozatra kell leszárítani! A légszáraz állapot az ún. normál klímán (u = 200C, 65% relatív páratartalom) biztosítható. Ez a klíma szükséges a faanyagok laboratóriumi vizsgálatainál. Rosttelítettségi állapot (határ, pont), amikor már a sejtfalak intermicelláris, interfibrilláris üregei széttágultak és maximálisan telítődtek vízzel. Az összes fafaj átlagában ezt az értéket 30%-nak fogadjuk el. A különböző fafajoknál ettől azonban igen jelentős eltérések lehetségesek. A faanyagok mechanikai tulajdonságai a nedvességtartalom növekedésével a rosttelítettségi határig csökkennek, azt követően nem változnak, a zsugorodási-dagadási jelenségek csak a rosttelítettségi határ és az abszolút száraz állapot között lépnek fel. Különösen nagy jelentőséggel bír a rosttelítettségi határ figyelembevétele a faanyagok hajlításánál és rostirányú tömörítésénél, mivel ezek a műveletek legeredményesebben közvetlenül a rosttelítettségi határ alatti nedvességtartalomnál végezhetők el. Az abszolút nedves állapotban (max. nedvességtartalom) az összes mikro- és makro sejtüreg telített vízzel. Tehát a faanyag kétfázisú: tömörfából és vízből áll (hiányzik a levegő). Ezen állapot csak áztatással, telítéssel érhető el. Az alábbi táblázatnak megfelelően láthatjuk, hogy milyen jelentős különbségek léteznek az egyes fafajok között, ez elsősorban az eltérő sűrűséggel. Néhány fontosabb hazai fafaj rosttelítettségi állapota és maximális nedvességtartalma 200C-on az alábbi táblázatban található:
16
2.táblázat. Hazai fafaj rosttelítettségi állapota és maximális nedvességtartalma.
Rosttelítettségi
Max. nedvesség-
pont (határ),%
tartalom, %
Balsa
63,7
767
Nyárak
40,4
205
Lucfenyő
34,8
201
Erdeifenyő
31,3
168
Vörösfenyő
26,1
131
Nyír
28,9
126
Tölgy
24,5
111
Bükk
35,6
116
Akác
19,5
90
Gyertyán
32,6
92
Pockfa
16,0
31
Fafaj
2.3.1.Egyensúlyi fanedvesség A nedves fa száraz levegőn nedvességet ad le. Száraz fa a nedves levegőből vizet vesz fel. Ha sem nedvességfelvétel, sem nedvességleadás nincs, a fa nedvességtartalma a levegő nedvességtartalmával ún. nedvesség egyensúlyi állapotban van. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy azonos hőmérsékletű és relatív nedvességtartalmú (páratartalmú) levegőben, a száradó vagy nedvesedő faanyag – bizonyos idő eltelte után – mindig egy és ugyanazon nedvességtartalomra áll be. Minden hőmérséklethez és relatív légnedvességhez tartozik egy — a fafajnak megfelelő — egyensúlyi nedvességtartalom. A 100% relatív páratartalomnál a maximális érték a rosttelítettségi pont, amely 30% fanedvességi értéknek felel meg. Az egyensúlyi nedvességtartalmat befolyásoló tényezők: a fafaj, a környezeti hőmérséklet,
a
légköri
nyomás,
az
a
körülmény,
hogy a
faanyag
egyensúlyi
nedvességtartalmát száradás vagy nedvesedés által éri-e el.(Hiszterézis: A faanyag egyensúlyi nedvességtartalmának a szárítással, ill. nedvesedéssel kialakuló értékei közötti különbsége,) 17
Az alábbi táblázat a bükk és a tölgy egyensúlyi nedvességtartalmát foglalja össze, a levegő nedvességtartalmának függvényében, 200 C hőmérsékleten. 3.táblázat. A bükk és a tölgy egyensúlyi nedvességtartalmát. A- szárítással beállított egyensúly fanedvesség; B- nedvesítéssel beállított egyensúly fanedvesség.
A fa nedvességtartalma, ha a relatív légnedvesség, % Fafaj
Bükk
Tölgy
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
A
3,3
4,8
6,2
7,2
7,6
9,7
11,7
15,0
20,3
31,0
B
3,5
5,3
6,8
7,8
8,4
10,5
12,6
16,1
21,0
31,0
A
3,0
5,0
6,8
8,2
9,2
10,3
11,5
14,2
17,0
30,7
B
3,0
5,2
7,2
8,7
9,8
11,0
12,0
14,8
17,5
30,7
A kötött- és a szabad víz felvételét (jellegét) az idő függvényében az alábbi ábrán mutatjuk be. (Az értékek természetesen az adott mintadarab méretétől függenek) 14. ábra.A természetes faanyag légnedvesség (kötött víz) és víz (szabad víz) felvétele a) légnedvesség (kötött víz); b) áztatás (szabad víz)
18
2.3.2.A fanedvesség mérése
A víztartalom mérésének – számunkra fontosabb – módszerei a következők: Szárításos eljárás: A nedvességtartalom meghatározásának a legpontosabb módszere. Lényege, hogy szárítás előtt a faanyag tömegét megmérjük, majd szárítószekrényben fokozatosan (103 ±20 C) súlyállandóságig kiszárítjuk. A fa nettó nedvességtartalma: A fában lévő összes víz tömege a teljesen száraz fa tömegének százalékában kifejezve:
u
mn m0 100% , m0 ahol:
mn - nedves tömeg, m0 - abszolút száraz tömeg. Ellenállás típusú elektromos nedvességmérés: Az egyenáramú fajlagos elektromos ellenállás a kötött víz adszorpciós zónájában (w=5-26%) 106 nagyságrendben változik. Ezen összefüggések alapján kerültek kialakításra a különböző nedvességmérő készülékek. Dielektromos elven működő nedvességmérés.
E mérési módszer a dielektromos
állandó és a nedvességtartalom kapcsolatán alapszik: az abszolút száraz állapotú fának 2-3, a szabad víznek 80 a dielektromos állandó értéke. A mérési eredményeket a faanyag sűrűsége és az alkalmazott frekvencia befolyásolja. 0 °C alatti mérésekre nem alkalmazható..
19
2.4.A kísérletekhez felhasznált fafaj: 15.ábra. Felhasznált fafaj.
2.4.1.Elnevezések Buche. Rotbuche (német); beech (angol); faggio (olasz); hétre (francia); buk (orosz, szláv); hava (spanyol).
2.4.2.Fizikai tulajdonságok A bükk fája sűrű, zsugorodásra, vetemedésre erősen haj lamos. Sűrűsége (kg/m 3 ): abszolút szárazon (u = 0%) 490-680-880 légszárazon (u = 12%)
540-720-910
élőnedvesen
820-1070-1270
Pórustérfogat: 55% A frissen döntött bükk 400-500 kg, m3 vizet tartalmaz. A geszt és a szijács nedvessége között a különbség nem jelentős. A rosttelítettségi pont: 32-35%.
20
Zsugorodási jellemzők (%): sugárirányú 5,8 húrirányú 11,8 rostirányú 0.3 térfogati 14,0-17,9-21,0 A zsugorodási anizotrópia (húr, sugár): 2,04, tehát a fafaj igen hajlamos a vetemedésre, a széles bélsugarak mentén pedig a repedésre.
2.4.3.Mechanikai tulajdonságok Statikus szilárdsági jellemzők (a rostokkal párhuzamosan) (MPa): -nyomó
41-62-99
-húzó 57-135-180 -hajlító
74-123-210
-nyíró 6,5-8,0-19,0 Hasítószilárdság -sugárirányú 0,35 -húrirányú 0,45 Ütő-hajlító szilárdság (J cm2): 3-10-19 Keménység (Brinell) (MPa): -bütü 72 -olda
34
Csavarószilárdság (MPa): 15 Kopásállóság (csiszolásos módszer): tölgy : bükk = 1,56 : 1,0 (tehát a bükk kevésbé kopik). Statikus hajlító rugalmassági modulus (rostokkal párhuzamos) (MPa):10 000-16 000-18 000.
21
2.4.4.Megmunkálási sajátosságok Keménysége és gyakori álgesztesedése ellenére is nehézségek nélkül dolgozható fel a különböző mechanikai megmunkálási technológiákkal. Jól fűrészelhető, esztergályozható és marható. A bükk jól szegezhető, csavarozható, de a repedések megelőzésére célszerű előfúrást alkalmazni. A gőzöléssel előkészített bükk kiválóan hajlítható, de az utóbbi évtizedben a székülések, széktámlák, karfák, ágyrugók [3], sőt a széklábak gyártásához is elterjedtebben alkalmazzák a nagyfrekvenciás présekben történt formázást. A bükk jól pácolható és lakkozható.
2.5.A fa hosszirányú tömörítése
Az eljárás lényege: A hajlításra alkalmas faanyagot ; a méretre szabás után ; hidrotermikusan kezelik ;majd hossztengelye mentén rostirányban tömörítik úgy, hogy közben az alkatrész keresztmetszete nem változik. Alkalmazható fafajok. A fa tömöríthetősége, a fa sejtszerkezetétől függ, és így fafajonként változó. Az eddigi tapasztalatok alapján a következő fafajok bizonyultak tömörítésre alkalmasnak: kőris, bükk
[4]
, szil, juhar, hárs, tölgy, cseresznye és fekete dió. A
szelvényen belül a szijács és geszt aránya a tömörítés minőségét nem befolyásolja; ez vonatkozik az évgyűrűk elhelyezkedésére is. Tömörítésre a rosttelítettségi ponttól 2-3%-al alacsonyabb nedvességtartalmú faanyag alkalmas. A méretre szabás: A tömörítendő alkatrészek méretét/többszörös méretét a tömörítő gép befogadóképessége határozza meg. Tömörítés után a faanyag kisebb darabokra szabható, ill. kötegelt tömörítés is lehetséges. Hidro-termikus
kezelés.
Tömörítés
előtt
a
faanyagot
gőzöléssel[16],
vagy
nagyfrekvenciás erőtérrel melegíteni kell (70-900 C). Gőzzel történő melegítés esetén kb. 45 perc/25
mm
gőzölési
idővel
kell
számolni.
Gőzölést
alkalmaznak
az
alacsony
nedvességtartalmú (u 20-25 %) faanyag nedvesítésére is. A nagyfrekvenciás melegítés gyorsabb a gőzölésnél (5-10 perc/25 mm) a generátor kapacitásától függően.
22
16. ábra. Gőzölő berendezés (autokláv)
Tömörítés. A melegített alkatrészeket a tömörítő berendezésbe helyezik
[17]
, majd
rostirányban nagy nyomással tömörítik. A nyomás hatására az eredeti hossz 10-30 %-al csökken. Ezt az értéket a fafaj függvényében határozzák meg. A nyomás csökkenésével a faanyag „visszarugózik” és a maradandó hosszcsökkenés (az összenyomás nagyságától függően) 3-10 %. Tömörítés közben az alkatrészeket oldalirányban meg kell támasztani, a nyomás hatására fellépő kihajlás és keresztmetszet-változás megakadályozására. A tömörítő gépet számítógép vezérli, amely működés közben szabályozza a nyomást. 17. ábra. Tömörítő berendezés
A rostirányú tömörítés hatására a rostfalak harmonikaszerűen „gyűrődnek” [18], és ezért a faanyag könnyen hajlítható.
23
18. ábra. a- a kezeletlen faanyag rostjainak falai „párhuzamosan” futnak, b- a tömörítés hatására a rostok „harmonika-szerűen” gyűrődnek
A tömörített fa előnyei az alábbiakban foglalhatók össze:
hidegen tárolható és időbeni korlátozás nélkül hajlítható;
nagymértékű alakváltozásokat is elvisel és minden irányban hajlítható;
az alakítás egyszerű eszközökkel végrehajtható és ezek használata könnyen elsajátítható;
környezetbarát módon – vegyi anyagok alkalmazása nélkül – állítható elő;
a kiszáradás utáni alaktartóssága kedvező és végül;
a tömörítés hatására néhány mechanikai tulajdonsága (a rugalmassági modulus és az ütő- hajlító szilárdság) kedvezően változik.
2.5.1.A tömörtett fa mechanikai tulajdonságai A tömörítetlen (natúr) és tömörített fák (bükk és tölgy) rugalmassági modulusainak, hajlítószilárdságainak, valamint ütő-hajlító szilárdságainak számszerű, mérési adatait szakirodalomban (Kuzsella L., Dr, Szabó I., Havas Zs.: A fa tömörítésének hatása a mechanikai tulajdonságokra) találtuk meg, melyeket az alábbiakban [19] [4] [5] ismertetünk:
24
19ábra.Tömörítetlen és tömörített bükk, ill. tölgy, hajlítási görbéi különböző tömörítési százalékok mellett.
A következő táblázatokban minden eredmény 22 mérés átlaga 4.táblázat. Charpy-féle ütő-hajlító vizsgálat.
Faanyag
Tömörítetlen bükk
20%-kal tömörített bükk
8,85
14,35
Ütő-hajlító szilárdság,w[J/cm²] Eltérés [J/cm²]
5,50
Eltérés %-ban
38,33%
5.táblázat. A fa tömörítésének hatása a mechanikai tulajdonságokra.
Bükk
Faanyag Tömörítés
Tölgy
tömörítetlen
15%
20%
tömörítetlen
10%
20%
E[MPa]
12007,45
4448,49
3660,03
7200,63
4178,05
3931,39
Fmax[N]
802,79
495,49
415,63
524,04
402,84
412,60
σmax[MPa]
144,38
91,91
76,23
94,52
75,57
78,67
YFmax[mm]
4,88
23,41
26,27
4,89
11,22
22,93
W[Nm]
3068,03
11511,90
12367,00
1908,29
6144,26
10180,42
mértéke
25
6.táblázat. A bükk mechanikai tulajdonságainak változását (tömörítési fok függvényében adjuk meg)
(Faul Beatrix: Diplomaterv.. Miskolci Egyetem. Polimer-mérnöki Tanszék 2006.).
2.5.2.Összefoglalás
A hárompontos hajlító vizsgálatok alapján megállapítható, hogy tömörítés után a faanyag merevsége kb. egyharmadára csökken, míg az alaktartósságának mértéke kb. ötszörösére nő, ami megkönnyíti hajlíthatóságát. Mindezek mellett a hajlítás során az anyag által elnyelt energia négyszeresére nő.
Az ütő-hajlító szilárdság mérési eredményei alapján megállapítható, hogy a tömörített bükk ütő-hajlító szilárdsága mintegy 38%-al magasabb, mint a tömörítetlen bükké. Másképpen fogalmazva: a tömörítés mintegy 38%-kal növeli a bükk dinamikus erőhatásokkal szembeni szívósságát.
2.5.3.Következtetések:
A tömörített faanyag kedvező mechanikai tulajdonságai egyértelműen arra utalnak, hogy kellő megszorításokkal ugyan, de érdemes megvizsgálni „farugó”-ként való alkalmazhatóságát.
A farugó gyártásához azonban, csak a fémrugóknál szerzett több évtizedes tapasztalatokra alapozva (méretezés, formai kialakítások), és a tömörített fával végzett közvetlen kutatási eredményekre támaszkodva szabad hozzáfogni. 26
2.6.A faanyag rugalmasságának jellemzése A fának, mint ortotrop (ortogonálisán anizotrop) anyagnak a rugalmassági alakváltozási jellemzőit legcélszerűbb rost (r)-, sugár (s)-, húr (h)- irányoknak megfelelően derékszögű koordináta-rendszerben vizsgálni
[20]
. A rugalmassági alakváltozási jellemzők e
rendszerben 12 paraméterrel fejezhetők ki:. 20.ábra. Az ortotrop fatest derékszögű koordináta-rendszerben r: rostirány, s: sugárirány, h:húrirány
h sr sík
s r
sh sík
rh sík
2.6.1.A rugalmassági modulusz (Young-féle modulusz)) A rost-, sugár- és húrirányú normál feszültségek () okozta alakváltozások jellemzésére szolgáló rugalmassági modulusz ( E ) értéke egyenlő az egységnyi, fajlagos alakváltozáshoz szükséges feszültséggel:
ahol: - a normál feszültségek okozta fajlagos alakváltozás.
27
Ennek értéke:
ahol: l - a normál feszültség okozta méretváltozás, l – az eredeti hosszméret. A természetes faanyag rugalmasságának megismeréséhez célszerű a fa „ - " jelleggörbéjéből kiindulni[21] . Ennek jellemző szakaszai és pontjai a következők: O-K: a kezdeti nem lineáris jellegű görbületi szakasz, melynek hosszát a vizsgált mintadarab felületi egyenetlensége, a teherátadó nyomófej, illetve az alátámasztásnak a mintadarabbal érintkező felülete és ez által a felületi nyomása befolyásolja. K-A: a lineárisan rugalmas szakasz, amely az arányossági határig tart. Ezen belül az alakváltozás-feszültség kapcsolata lineáris, a Hooke-törvény értelmében valamely „F” tengelyirányú terhelés (húzás, nyomás) esetén
A-B: az arányossági (A) és a törési ( B ) határok közötti képlékeny szakasz. B-B0 : a törést követő szakasz, ahol a maximális feszültség (B) nem minden esetben okoz feltétlenül teljes törést. A feszültség fokozatosan csökken a mintadarab töréséig, a fajlagos alakváltozások tovább növekednek az Ö (teljes alakváltozás) értékéig. 21.ábra. A természetes faanyag ”-” jelleggörbéje
B
B
A
A
K
K 0
K
A
B
28
B0 Ö
2.6.2.A rugalmassági-alakváltozási jellemzők meghatározása Mivel a szakdolgozat témájához elsősorban a hajlító igénybevétel kapcsolódik, ezért a továbbiakban a hajlító rugalmassági modulusz meghatározásával foglalkozom. A „ E modulusz” meghatározása 3, vagy 4 pontos terhelés mellett végezhető el az alábbi összefüggések segítségével: Három pontos terhelés esetén [22]: 22.ábra: Három pontos terhelés sémája. F l/2
l /2
f l 15b
Négy pontos terhelés esetén [23] : 23.ábra: Négy pontos terhelés sémája. ahol: E – hajlító rugalmassági modulus, MPa; l- alátámasztási távolság, mm; b próbatest szélessége, mm; a - próbatest vastagsága, mm; f - a F terhelő erő (N) által okozott behajlás, mm.
f l 15b
29
2.6.3.Befolyásoló tényezők A természetes faanyagoknál a rugalmassági és alakváltozási jellemzőket a fafaj, a sűrűség, a rost (terhelés) irány a nedvességtartalom, a hőmérséklet, a terhelés ideje és a faanyag szöveti sajátossága befolyásolja. A sűrűség növekedésével – egy fafajon belül – a rugalmassági modulusok növekednek. A fafaj szerepe rendkívüli, mivel az alacsonyabb sűrűségű fák „E modulusai” esetenként meghaladják a nagyobb sűrűségűek értékét. Ez az eltérő szöveti felépítéssel áll összefüggésben. A nedvességtartalom növekedésével – a rosttelítettségi határig – a rugalmassági modulusz értékei csökkennek, azt követően azonban nem változnak[6] . A hőmérséklet szerepe a 1000 C-hoz közeli tartományban válik jelentőssé. 6.táblázat. Hőmérséklet szerepe Nedvességtartalom,%
0
5
10
20
30
≥30
E modulusz,%
100
95
85
75
70
70
Rugalmassági modulus meghatározása INSTRON 5566-os szakítógépen[24]. A szakítógéphez kapcsolt számítógép mérési adatokat rögzíti és a rugalmassági modulus értékeit meghatározza. Négypontos terhelési sémát alkalmaztunk.
24.ábra. INSTRON 5566-os szakítógép
30
2.6.4.A rugalmassági modulus meghatározása ultrahangos vizsgálati módszerrel A rugalmasság az anyagnak az a képessége, amikor külső erő hatására alakját és méretét megváltoztatja, de az erő megszűnése után visszanyeri eredeti formáját. A rugalmassági határon belül a méretváltozás mértéke arányos a terhelőerő által, az anyagban létrejövő feszültséggel. Ultrahangos rugalmassági modulus meghatározásnak az elve, hogy a hang terjedése, egy adott szilárd testben összefügg a szilárd test dinamikus rugalmassági modulusával az alábbi matematikai összefüggésnek megfelelően:
Edin v 2 ahol: - az anyag sűrűsége; v- a hang terjedési sebessége. Vagyis, ha egy szilárd testben nagy pontossággal mérhető a hang terjedési sebessége, és meghatározgató a test tömeg szerinti térfogatsűrűsége, akkor a dinamikus rugalmassági modulus a fenti egyszerű kifejezéssel meghatározható. A hangterjedési sebesség kiszámítható, ha egy hangforrásból, egy tőle jól definiált távolágban lévő vevő között mérjük a hangnak a forrásból a vevőbe érkezés idejét. Vagyis a dinamikus rugalmassági modulus, lényegében egy nagypontosságú időmérés segítségével határozható meg. A Nyugat-magyarországi Egyetemen (Dívós F.) kifejlesztett FAKOPP tipusu ultrahangos készülék[24] . 24. ábra .FAKOPP -tipusu ultrahangos készülék.
31
Az ultrahangos vizsgálattal megállapított dinamikus rugalmassági modulus minden tömörítési szinten jóval magasabb, mint a hárompontos hajlító vizsgálattal megállapított statikus rugalmassági modulus, ám tendenciájuk a tömörítési fok függvényében megegyezik.
2.6.5.A minimális hajlítási sugár meghatározása.
Faanyagok minimális hajlítási sugara a feldolgozás szempontjából rendkívül fontos paraméter. Megmutatja, hogy a faanyag milyen mértékben hajlítható, hogy adott vastagság esetén, mekkora az a legkisebb görbületi sugár, melyet a fa látható károsodás nélkül még képes elviselni. A fa hajlíthatóságát több tényező befolyásolja: fafaj, anyagminőség, alkatrészméret, keresztmetszet alakja, tömörítési fok, a hajlításnál alkalmazott sablon és szerszám stb.
A
minimális hajlítási sugár meghatározásának eszközeit, módját, valamint a sikeres és sikertelen hajlítás eredményét[25] mutatjuk be.
25.ábra.
Sikeres hajlítás
Sikertelen hajlítás
A fa hajlíthatósága a h/R viszonyszámmal jellemezhető, ahol: h – a hajlítandó anyag vastagsága, R – a minimális hajlítási sugár, amelynél a fa még biztonságosan (törés-mentesen) hajlítható. A következő ábra a h/r viszonyt mutatja be, a fafaj, a hőmérséklet, valamint a tömörítési fok (%) függvényében.
32
26.ábra. A h/R viszony a vastagság függvényében A tömörítés mértékének növelésével javítható a h/R viszony 1/7
Akác 15% szobahőmérsékleten 1/6.59
Bükk 15% szobahőmérsékleten
h/R
1/6
1/5.97
Bükk 23% szobahőmérsékleten 1/4.99
1/5
Bükk 23% 80°C-on 1/4
1/3.96
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
15.0
17.5
20.0
22.5
25.0
Vastagság (h), mm
Kárpitozás.(Matlák, Szabó:Bútorkárpitozás). Kárpitozott bútorok alatt azokat a kényelmi bútorokat értjük, amelyek megfelelő rugalmasságú párnázattal és tartós bevonó anyaggal rendelkeznek. A kárpitozott bútorok legfontosabb rendeltetése az ember kényelmének fokozása, ezért elsősorban pihenésre, másodsorban kényelmesebb munkavégzésre alkalmasak. Mind az ülőbútorok, mind a fekvő bútorok méretei (funkcionális méretek) a bútort használó személyek testméreteihez igazodnak. A kárpitozott bútorok szerkezeti egységei: állvány, tartószerkezet, rugózat, párnázat, bevonat és díszítés. 27.ábra. Kárpitozott bútor párnázat
farugó
keret állvány
33
A tartószerkezet lehet: lap vagy lemez, heveder, huzal vagy sodrony, acélszalag, farugó és hullámrugó. A farugók (szilos lécek) alapanyaga keménylombos, többnyire bükk fűrészáru, de a gyertyán-, akác- és a kőrisfa sem ritka. Rétegelt farugó: Idompréselt (ragasztott) lemezipari termék, a furnérok száliránya egymással megegyező. Rugalmas tartószerkezet képzésére alkalmas anyag, aminek rugalmassága a furnér alapanyagtól, annak rétegszámától, vastagságától és az idompréseléssel kialakított ívmagasságától is függ. Kárpitozott bútorok ergonómiai és fiziológiai tervezésének alapjai. A fekhelyek rugalmassági méretezésének alapelveit a méretarányok, a testsúly eloszlása és a testtartás biztosítása határozza meg. [28]
28. ábra. A gerincoszlop alakváltozásai különböző rugalmasságú kárpitozásokon a) túl puha fekhelyen hanyatt fekve, h) túl puha fekhelyen oldalt fekve, c) kemény fekhelyen hanyatt fekve, d) kemény fekhelyen oldalt fekve, e) rugalmas fekhelyen hanyatt fekve, e) rugalmas fekhelyen oldalt fekve
(Orbai Péterné dr.: Faipari kézikönyv. II. 3. Fejezet). 34
A párnázat akkor ad jó komfortérzetet, ha az egyéb fiziológiai hatások mellett (hő, nedvesség, érdesség stb.) a testét a párnázat lágyan engedve mintegy körülöleli, ezután a benyomódás előrehaladásával progresszíven növekvő rugalmas erővel megtámasztja. Ez esetben a test kiálló részei benyomódnak a párnázatba, de csak olyan mértékig, hogy a gerincoszlop, a medencecsont és más testrészek természetes helyzetben maradnak [28] . A kárpitozások rugalmassága. (Dr. Sűveg József: Kárpitozás. NYME. Jegyzet). Mint ismeretes, a kárpitos bútorok különböző rugalmasságú anyagokból összeállított rugalmas rendszerek. A rugalmas anyagok jellemzője, hogy terhelés hatására alakjukat arányosan megváltoztatják, majd a terhelés megszűntével visszanyerik eredeti alakjukat. A rugalmas anyagok rugalmasságát a „c” rugóállandóval jellemezhetjük, ami az az erő, amely az adott anyag egységnyi alakváltozását okozza.
ahol: F -a terhelő erő (N); f -az alakváltozás (mm). A kárpitozás egymás fölé épített rugalmas anyagok együttese, ahol az egyes rétegek külön-külön rugóknak tekinthetők. A sorba kapcsolt rugók eredő rugóállandója:
ahol: ct = tartószerkezet rugóállandója, cr = a rugózat rugóállandója cp = a párnázat rugóállandója.
35
3.A szakdolgozat kiírásában meghatározott feladatok megoldása 3.1.Rétegelt fa lemezrugók geometriai méreteinek és szerkezeti felépítésének meghatározása. A farugókkal kapcsolatos szakirodalom áttanulmányozása után úgy gondolom indokolt a témaválasztás. A szakirodalom ugyanis nem tesz említést a rétegelt fa lemezrugókról és azok alkalmazási lehetőségeiről. Említi ugyan a hajlított, ragasztott rétegelt lemezből kialakított „farugókat”, de ezek közel sem felelnek meg ugyancsak a szakirodalomban fellelhető a kárpitosipari tartószerkezetekkel szemben támasztott ergonómiai és rugalmas követelményeknek. A rétegelt fa lemezrugókkal kapcsolatos feladatok megoldásához, a fémrugókkal foglalkozó szakirodalom kiemelkedő színvonalú segítséget adott. Ennek megfelelően választottam ki az ötrétegű, előfeszített, fém „mintarugót”, a kísérleti rétegelt fa lemezrugók (későbbiekben: lemezrugó) geometriájának, meghatározásához. A lemezrugó hosszának (400 mm) megállapításakor a rendelkezésre álló berendezések (a szárítószekrény, valamint a szakító gép befogadó méreteit) vettem figyelembe. A fa lemezrugó lamelláinak keresztmetszete: 14 x 6 mm, mivel csak ilyen méretű „szálanyag” állt rendelkezésemre.
29.ábra. Ötrétegű, előfeszített, fém „mintarugó” a,lemezek előfeszítés előtt, b- előfeszítés után
a, 36
b- előfeszítés után
b, Az illesztett ellipszisek alapján megrajzoltam a fa lamellák felső ívét
[30]
, amely
alapjául szolgál a hajlítási sablon megszerkesztéséhez 30.ábra. Fa lamellák felső íve
b
a
1 a 2 a
3 a
4 a 5 a
.
37
7.táblázat. Ellipszis tengelyek
Ellipszis tengelyek a
N0lamella
b mm
56 43 34 29 23
1 2 3 4 5
24 24 24 24 21
31.ábra. Lamellák ívhosszának megállapítása.
1 a
2 a 3
a
4 a 5
a 1
6 20
2 28 00 32 0 40 0
38
32.ábra. Fél hajlító sablon matrica
20,0
15,3
13,8
10,8
7,9
M=1:1
A lamellák ívhosszának meghatározása után kijelöltem a hajlító tüskék furatainak helyét a fél hajlító-sablon matricán[32]. Majd az ábra tükrözése után elkészítettem a teljes matricát[33]. Ezután a matricát felkasíroztam a sablonra (19mm vastag furnérozott forgácslap), és kifúrtam a hajlító tüskék helyét[34].
39
33.ábra. Teljes matrica.
40 0
M=1 :2 34.kép. Hajlító sablon
40
3.2.Lamellák nedvességtartalmának és vízfelvételének meghatározása. A lamellák nedvességtartalmának meghatározása a „szárításos eljárással” történt, amely a nedvességtartalom meghatározásának a legpontosabb módszere. Az alapanyagok tárolási nedvességtartalmát (ut) a LR/I. lemezrugó lamelláinak nedvesség mérésével határoztuk meg [8]. 8.táblázat. Nedvesség-mérés N0
m0 g
mnt g
ut%
1
24,5
26,1
6,2
3
23,9
25,6
6,6
4
24,3
26,0
6,6
8
24,4
26,1
6,9
10
24,0
25,7
7,1
Átlag:
6,2
Szórás:
0,2
Variancia:
2,9
Hiba (p):
2,7
9.táblázat. Nedvesség mérés
m0
mk
g
g
1
24,5
25,3
3,6
27,6
13,0
28,6
3
23,9
25,3
4,0
27,2
13,7
4
24,3
25,2
3,8
27,1
8
24,4
25,2
3,6
10
24,0
24,9
3,7
N0
Átlag
uk%
3,7
m30
m90
u
m120
g
%
g
16,9
29,3
19,8
30,1
23,1
30,6
25,8
31,2
27,5
18,2
17,9
29,0
21,2
30,0
25,0
30,3
26,5
30,8
28,5
11,4
28,2
16,1
29,6
21,6
29,3
20,5
29,5
21,4
30,0
23,4
27,5
13,0
28,6
17,4
29,4
20,5
30,3
24,4
30,6
25,5
31,1
27,6
27,0
12,6
28,2
17,3
28,8
19,7
29,7
23,6
29,9
24,5
30,6
27,3
g
u %
12,7
m60 g
u%
17,1
20,6
41
u%
23,3
m150 g
u%
25,2
m180 g
u%
26,9
Miután a kísérleteket laborkörülmények között végeztük, ezért szükség volt a laboratóriumi klímaviszonyoknak megfelelő egyensúlyi fanedvesség (uk) ismeretére, amely a lamellák – hajlítás előtti – nedvességfelvételnek (áztatásos vízfelvétel) meghatározásához szükséges [9]. A hajlítás előtt, a lamellák nedvességtartalmát a „rosttelítettségi pontig” kell emelni, a törésmentes körülmények (h/R) biztosítása miatt. Ezért szükséges az áztatás idejének meghatározása. A nedvességtartalom és az áztatási idő kapcsolata[35]. 35.ábra. A lamellák nedvességtartalmának változása az áztatás idejének függvényében
Az előző táblázat és grafikon alapján megállapítható: a 6x14mm keresztmetszetű bükk lamellák 180 perces áztatás után elérik a 27%-os nedvességtartalmat, amely erősen megközelíti a bükk rosttelítettségi pontját, ami a hideghajlítás ideális nedvességtartalma. Lemezrugó-lamellák rugalmassági modulusainak meghatározása Mint ismeretes, a fa rugalmassági modulusa a hosszirányú tömörítés hatására megváltozik. Minél nagyobb a tömörítés mértéke, annál kisebb modulussal rendelkezik. A lemezrugók készítéséhez bükk, 6 x 14 x 2000 mm-es méretű, tömörített „szálanyag” állt rendelkezésünkre. Mivel „hozott anyagból dolgoztunk”, ezért sem a méretek, sem pedig a modulusok esetleges megváltoztatására nem volt lehetőségünk.
42
Mivel a lamelláknak – rugalmassági modulusuk meghatározásakor – egyenesnek kell lenniük, ezért a különböző okok miatt (hosszirányú tömörítés, tárolás, áztatás stb.) keletkezett síkbeli eltéréseket előnedvesítéssel, majd szárítással lehet kiküszöbölni. Ennek biztosítása érdekében „szárító sablont” terveztem [36] és készítettem [37]. 36.ábra. Szárító sablon rajza
7
160
M=1:2 200
200
37.ábra. Szárító sablon
A lemezrugó- (LR/I……LR/V) lamellák modusainak számszerű értékei és a statisztikai adatok [10]. 43
10.táblázat Statisztikai adatok (LR/T-LRV)
L.I.
LR.II. Emod
Jellam.
Jellam.
Emod
GPa
LR.III. Jellam.
Emod
GPa
LR.IV. Jellam.
Emod
GPa
LR.V. Jellam.
Emod
GPa
GPa
2
24,6
1
23,1
10
13,8
5
5,0
3,7
5
24,5
3
23,5
11
11,0
6
4,7
3,2
6
24,2
4
23,6
12
14,4
7
5,1
3,8
7
24,3
8
23,3
13
14,2
8
5,7
3,9
9
24,1
10
22,3
14
11,6
9
5,2
3,0
Átl:
24,3
23,2
12,8
5,2
3,5
0,2
0,6
1,8
0,4
0,4
Variancia: 0,7
2,6
13,7
7,9
12,6
Hiba0,05:
2,3
12,8
7,7
10,4
Szórás:
1,6
Magyarázat: LR – lemezrugó; I:-V – lemezrugó jele 1-10 – lamella jele LR/I.- Tömörítetlen bükk, a 4. 5. lamella kétrétegű (vastagság:2 x 3mm), E=24,3 GPa; LR/II.-Tömörítetlen bükk, változó lamella vastagság (6; 5; 4; 3; 2mm), E=23,2 GPa; LR/III.-Tömörített bükk, E=12,8 GPa; LR/IV.-Tömörített bükk, E=5,2 GPa; LR/V.-Tömörített bükk, E=3,5 GPa; Megjegyzések: Látható, hogy a tömörített lamellák E értékei meglehetősen nagy szórással, illetve hibával rendelkeznek. Ez egy gyakran előforduló technológiai hiba következménye: a tömörítés mértéke – az anyag hossziránya mentén – egyenetlen, amely meglehetősen eltérő E értékeket eredményez.
44
A 6mm vastag, tömörítés nélküli lamella (h/R viszony!!!) nem hajlítható törésmentesen, a kis hajlítási sugarak miatt. A lemezrugók modulusait szemléltetjük[38]. 38.ábra. A lemezrugók rugalmassági modulusai. (a lemezrugó-lamellák modulusainak átlaga)
30
Rugalmassági modulus, GPa
25
24,3
23,2
20 15
12,8
10
5,2 5
3,5
0 LR/I.
LR/II.
LR/III.
LR/IV.
LR/V.
A lemezrugó jele
A rugóállandó, illetve a rugómerevség meghatározása. Mint ismeretes, a rugóállandó a szerkezet egy pontjának megadott irányú „ f” elmozdulását jelenti, ha abban a pontban a megadott irányban egységnyi erő pl. F = 1N működik: mm/N
Ez a definíció alakváltozás meghatározásra vezeti vissza a rugóállandó meghatározását. Értik azonban rugóállandón a fent definiált mennyiség reciprokát is.
A „C”-re, használatos a lényegét jobban kifejező rugó keménysége elnevezés is. A rugóállandó gyakorlatban történő meghatározásához az „f” elmozdulás számszerű értékét a szabad rugóút felében (M/2) határozzák meg[39]. Esetünkben, ez az érték M/2=15mm, mivel a lamellák húrmagassága 20-45mm között változik.
45
39.ábra. H- lamella húrhossza, mm; M- lamella húrmagassága, mm;
v M
H
Erőméréshez, a lamellákat és a lemezrugóka súrlódást kiküszöbölő „kerékpárokhoz” rögzítettük [39]. Az erőmérést INSTRON 5566 szakítógép segítségével határoztuk meg [40].
39.ábra. Lamellák és a lemezrugók rögzítése.
46
40.ábra. Erőmérés az INSTRON 5566 szakítógépen
47
11.táblázat merési eredmények és a rugó karakterisztika számított értékei. 11.a.táblázat c
C
lamella
lamella
LR
Lamella
HH,
HM,
Flamella
jele
jele
(mm)
(mm)
(N)
1
354
20
69,1
0,22
4,5
2
300
27
78,1
0,19
5,3
3
275
35
94,3
0,16
6,3
4
226
25
116
0,10
10,2
5
162
33
190,9
0,08
12,5
c
C
lamella
lamella
LR.I.
(mm/N) (N/mm)
Frugó (N)
233,9
c
C
rugó
rugó
(mm/N) (N/mm)
0,064
15,6
c
C
rugó
rugó
11.b.táblázat
LR
Lamella
HH,
HM,
Flamella
jele
jele
(mm)
(mm)
(N)
6
351
21
62,0
0,24
4,2
7
304
23
46,9
0,32
3,2
8
280
32
35,8
0,42
2,4
9
222
32
32,0
0,47
2,1
10
173
30
21,3
0,70
1,4
c
C
lamella
lamella
LR.II.
(mm/N) (N/mm)
Frugó (N)
140,0
(mm/N) (N/mm)
0,107
9,4
c
C
rugó
rugó
11.c.táblázat
LR
Lamella
HH,
HM,
Flamella
jele
jele
(mm)
(mm)
(N)
10
361
28
-
-
-
11
290
30
-
-
-
12
275
35
-
-
-
13
216
39
-
-
-
14
163
33
-
-
-
LR.III.
(mm/N) (N/mm)
48
Frugó (N)
142,2
(mm/N) (N/mm)
0,11
9,1
11.d.táblázat
LR jele
c
C
lamella
lamella
Lamella
HH,
HM,
Flamella
jele
(mm)
(mm)
(N)
5
365
36
28,6
0,52
1,9
6
304
34
31,6
0,47
2,1
7
270
45
32,2
0,46
2,2
8
216
44
50,6
0,30
3,3
9
156
38
92,3
0,16
5,2
c
C
lamella
lamella
LR.IV.
(mm/N) (N/mm)
Frugó (N)
56,8
c
C
rugó
rugó
(mm/N) (N/mm)
0,26
3,8
c
C
rugó
rugó
11.e.táblázat
LR
Lamella
HH,
HM,
Flamella
jele
jele
(mm)
(mm)
(N)
1
351
36
-
-
-
2
301
33
-
-
-
3
247
33
-
-
-
4
219
40
-
-
-
5
160
35
-
-
-
LR.V.
(mm/N) (N/mm)
Frugó (N)
53,9
Jelmagyarázat: c- rugóállandó, mm/N; C- rúgómerevség (-keménység) N/mm
49
(mm/N) (N/mm)
0,28
3,6
41.ábra. A lamella húrhossza és a rugómerevség közötti összefüggést szemlélteti.
14
162; 12,5
Sorozatok1 Lineáris (Sorozatok1)
12 226; 10,2
Rugómerevség, N/mm
10 8 6
275; 6,3
4
354; 4,5
300; 5,3 y = -0,0456x + 19,772 R² = 0,9406
2 0 150
200
250 300 A lamella húrhossza, mm
350
400
42.ábra. A lamella vastagsága és a rugómerevség közötti összefüggést szemlélteti.
4,5 6; 4,2
y = 0,67x - 0,02 R² = 0,9691
4
5; 3,2
3,5 Rugómerevség, N/mm
3 3; 2,1
2,5 2
4; 2,4
2; 1,4
1,5 Sorozatok1 Lineáris (Sorozatok1)
1 0,5 0 1
2
3 4 5 Lamella-vastagság, mm
50
6
7
43. ábra. A lamella rugalmassági modulusa és a rugómerevség közötti összefüggést szemlélteti.
Rugómerevség, N/mm
6 5
y = 5,6082x - 25,891 R² = 0,9646
4
5,2; 3,3
3
5,7; 5,2
5; 2,1
2
5,1; 2,2
Sorozatok1
4,9; 1,9
1
Lineáris (Sorozatok1)
0 4,9
5,1
5,3 5,5 Rugalmassági modulus, GPa
5,7
5,9
44.ábra. A lemezrugók rugalmassági modulusa és a rugómerevség közötti összefüggést szemlélteti.
18
24,3; 15,6
16
y = 0,5962x + 1,2436 R² = 0,9943
14 Rugómerevség, N/mm
12
12,5; 9,1
10 8 6
3,5; 3,6
4
Sorozatok1 Lineáris (Sorozatok1)
5,2; 3,8
2 0 0
5
10 15 20 Rugalmassági modulus, GPa
51
25
30
4.Eredmények.
Az LR. I. rugó lamelláinak adataiból megállapítható, hogy a rugómerevség fordítva arányos a lamella húrhosszával. Az összefüggés lineáris.
Az LR. II. rugó lamelláinak adataiból megállapítható, hogy a rugómerevség egyenesen arányos a lamella vastagságával. Az összefüggés lineáris.
Az LR. IV. rugó lamelláinak adataiból megállapítható, hogy a rugómerevség egyenesen arányos a rugalmassági modulussal. Az összefüggés lineáris.
Az LR. I.; LR. III.; LR. VI.; LR. V.; lemezrugók adataiból megállapítható, hogy a rugó merevség egyenesen arányos a rugalmassági modulussal. Az összefüggés lineáris.
52
5.Összefoglalás A a rétegelt fa lemezrugókon a hárompontos hajlító vizsgálatok alapján megállapítható, hogy tömörítés után a faanyag merevsége kb. egyharmadára csökken, míg az alaktartósságának mértéke kb.ötszörösére nő, ami megkönnyítette a hajlíthatóságát. Mindezek mellett a hajlítás során az anyag által elnyelt energia négyszeresére nőt. Az ütő-hajlító szilárdság mérési eredményei alapján megállapíthattam, hogy a tömörített bükk ütő-hajlító szilárdsága mintegy 38%-al magasabb, mint a tömörítetlen bükké. Másképpen fogalmazva: a tömörítés mintegy 38%-kal növeli a bükk dinamikus erőhatásokkal szembeni szívósságát.
Következtetések 1. A rugómerevséget, a tömörített faanyag rugalmassági modulusával szabályozni meglehetősen bizonytalan, mivel a tömörített faanyag tömörítési foka, így rugalmassági modulusa is, a szálanyag hossziránya mentén gyakran változik. Jelenleg Magyarországon a tömörített faanyag beszerzése bizonytalan és drága. 2. Ugyanakkor a rugómerevség a lamellák vastagságával és húrhosszával meglehetősen pontosan meghatározható, vagyis a lemezrugó műszakilag méretezhető. 3. A fa lemezrugó méretezésének kidolgozása elősegítené egy fa lemezrugó család
[45]
kidolgozását, amely hozzájárulhatn a gerincoszlop alakváltozásait követő ágyrugózat kialakításához. 45.ábra. Fa lemezrugó kárpitos keretben.
farugó
53
6.Felhasznált irodalom 1. Dr. Falk Richárd, Géptan I. Nehézipari Műszaki Egyetem, Miskolc. Kézirat. Bp, 1976. 2. Dr. Terplán Zénó,Gépelemek I. Nehézipari Műszaki Egyetem, Miskolc. Kézirat. Bp, 1981. 3. Sz.D.Ponomarjov,Szilárdági számítások a gépészetbn, 2 kötet.Rudak,rugók. 4. Matlák Z. Szabó M. Bútorkárpitozás. Műszaki Könyvkiadó , Bp. 1984. 5. Faipari Kézikönyv, Kárpitos rugók. 6. Dr. Süveg József, Kárpitozás, NYME. Sopron. 2004. 7. Dr. Szabó I. Kuzsella L., Faanyagok alkalmazástechnikája, Miskolci Egyetemi Kiadó,2009. 8. Kuzsaella L, Rostirányú tömörítés hatása a bükk faanyag szerkezetére és mechanikai tulajdonságaira, Doktori (Ph. D.) értekezés, Miskolc. 2011.
54
55
