Коэффициенты по породам Полная усушка Готовые значения Формулы расчета Оглавление статьи Таблица 1. Коэффициенты усушки древесины по породам (% на 1% изменения влажности) Порода Коэфф. тангенциальный, Kt Коэфф. радиальный, Kr Коэфф. объемный, Kv Отношение Kt/Kr Сосна 0,28 0,17 0,44 1,65 Ель 0,28 0,16 0,43 1,75 Лиственница 0,35 0,19 0,52 1,84 Береза 0,31 0,26 0,54 1,19 Дуб 0,29 0,18 0,43 1,61 Бук 0,35 0,17 0,47 2,06 Осина 0,30 0,14 0,43 2,14 Ольха 0,30 0,16 0,43 1,88 Клен 0,32 0,17 0,47 1,88 Ясень 0,28 0,18 0,45 1,56 Примечание: коэффициенты усушки определяют величину уменьшения размера при снижении влажности на 1% в диапазоне от 30% до 0%. Таблица 2. Полная усушка древесины по породам (от 30% до 0%) Порода Тангенциальная, % Радиальная, % Объемная, % Вдоль волокон, % Сосна 6,7-8,4 3,4-5,1 10,4-12,6 0,1-0,2 Ель 6,5-8,0 2,4-6,3 8,4-14,8 0,1-0,2 Лиственница 8,1-10,4 3,2-4,2 10,3-13,2 0,1-0,3 Береза 7,6-9,0 6,3-7,4 15,0-16,8 0,1-0,2 Дуб 6,6-8,8 3,6-5,3 12,1-15,8 0,2-0,4 Бук 10,6-12,9 4,8-5,5 16,2-17,3 0,2-0,3 Осина 7,8-9,0 3,5-4,2 11,5-13,0 0,1-0,2 Ольха 7,3-8,0 4,4-4,8 12,6-14,0 0,1-0,2 Примечание: диапазон значений обусловлен различиями в плотности, условиях произрастания и зоной годичного слоя (ранняя/поздняя древесина). Таблица 3. Величина усушки стандартных сечений при сушке от W более 37% до 8% (смешанная распиловка) Номинальный размер, мм Сосна, ель, кедр, пихта (мм) Лиственница (мм) Береза (мм) Дуб, бук (мм) 25 1,4 1,8 1,6 1,8 32 1,8 2,3 2,1 2,3 40 2,2 2,9 2,6 2,9 50 2,8 3,6 3,2 3,6 100 5,5 7,0 6,4 7,2 150 8,2 10,5 9,6 10,8 200 11,0 14,0 12,8 14,4 Примечание: для радиальной распиловки значения умножают на коэффициент 0,6. Данные соответствуют ГОСТ 6782.1-75 и ГОСТ 6782.2-75. Таблица 4. Основные формулы расчета усушки древесины Параметр Формула Обозначения Область применения Частичная усушка Y = K * (Wn - Wk) K - коэффициент усушки; Wn - начальная влажность; Wk - конечная влажность При W < 30% Полная усушка Y = K * 30 K - коэффициент усушки; 30 - предел гигроскопичности От 30% до 0% Размер после сушки a1 = a0 * (1 - Y/100) a0 - начальный размер; Y - усушка в %; a1 - конечный размер Пересчет размеров Коэффициент усушки K = Y / W Y - усушка в %; W - изменение влажности в % W < 30% Объемная усушка Yv = Yt + Yr Yt - тангенциальная; Yr - радиальная Приблизительная оценка Примечание: при начальной влажности выше 30% в формулах используют значение 30% вместо фактической влажности. Содержание статьи Физическая природа усушки древесины Направления усушки и анизотропия Коэффициенты усушки и их применение Формулы пересчета размеров Практические примеры расчета Нормативное регулирование по ГОСТ Вопросы и ответы Физическая природа усушки древесины Усушка древесины представляет собой уменьшение линейных размеров и объема материала при удалении связанной (гигроскопической) влаги. Данное явление обусловлено микроскопическим строением древесных клеток и характером взаимодействия целлюлозных микрофибрилл с молекулами воды. Связанная влага располагается между микрофибриллами клеточных стенок, и при ее испарении происходит сближение структурных элементов, что приводит к сокращению размеров. Процесс усушки начинается только после достижения так называемого предела гигроскопичности, который для большинства пород составляет 28-30%. До этого момента удаляется свободная влага из полостей клеток и межклеточных пространств, что не оказывает влияния на геометрические параметры пиломатериала. При дальнейшем снижении влажности начинается интенсивное испарение связанной воды, сопровождающееся деформациями. Границы процесса усушки Усушка проявляется в диапазоне влажности от предела гигроскопичности (около 30%) до абсолютно сухого состояния (0%). Изменение содержания свободной влаги выше 30% не влияет на размеры древесины. Полная усушка наблюдается при высыхании от максимального насыщения до нулевой влажности. Факторы, влияющие на величину усушки Интенсивность и величина усушки определяются несколькими ключевыми параметрами. Плотность древесины находится в прямой зависимости с показателями усушки: более плотные породы содержат большее количество клеточного вещества на единицу объема, соответственно, при испарении связанной влаги наблюдается более значительное сокращение размеров. Породы с высокой базисной плотностью, такие как бук и граб, демонстрируют объемную усушку до 18-20%, тогда как легкие породы вроде тополя усыхают на 11-14%. Зона годичного слоя существенно влияет на показатели усушки. Поздняя древесина, характеризующаяся большей плотностью и толщиной клеточных стенок, усыхает интенсивнее ранней. Для лиственницы тангенциальная усушка поздней зоны составляет 10,4%, тогда как ранней — 8,5%. Аналогичная закономерность прослеживается у сосны и ели. Данное различие обуславливает неравномерность деформаций в пределах одного сечения и может приводить к короблению. К началу Направления усушки и анизотропия Древесина обладает ярко выраженной анизотропией свойств, что проявляется в различной величине усушки по трем структурным направлениям. Тангенциальная усушка (по касательной к годичным кольцам) достигает максимальных значений 6-12%, радиальная (по радиусу ствола) составляет 3-7%, а продольная (вдоль волокон) минимальна и находится в пределах 0,1-0,3%. Тангенциальное направление Максимальная усушка в тангенциальном направлении объясняется ориентацией микрофибрилл преимущественно вдоль оси клетки. При удалении связанной влаги из промежутков между микрофибриллами происходит их сближение, что приводит к уменьшению поперечных размеров клеток. Тангенциальная усушка в 1,5-2 раза превышает радиальную, что является характерной особенностью всех древесных пород. Для хвойных пород соотношение тангенциальной и радиальной усушки выше, чем для лиственных. У березы это отношение составляет 1,19-1,33, тогда как у сосны — 1,65, а у бука — 2,06-2,21. Данный показатель важен для прогнозирования характера коробления пиломатериалов в процессе сушки. Радиальное направление Меньшая величина радиальной усушки обусловлена сдерживающим влиянием сердцевинных лучей, которые располагаются перпендикулярно годичным слоям. Лучевая паренхима усыхает меньше по длине, чем по ширине, создавая эффект армирования в радиальном направлении. Кроме того, различная жесткость древесной структуры в радиальном и тангенциальном направлениях также вносит вклад в анизотропию усушки. Практическое значение анизотропии Различие величин радиальной и тангенциальной усушки является главной причиной поперечного коробления пиломатериалов. Доски тангенциальной распиловки выгибаются в сторону сердцевины, радиальной — остаются более стабильными. Для ответственных изделий рекомендуется использовать пиломатериалы радиального раскроя. Продольное направление Усушка вдоль волокон ввиду незначительной величины (0,1-0,3%) в практических расчетах обычно не учитывается. Исключение составляет креневая древесина, у которой продольная усушка может достигать 5% из-за особого расположения микрофибрилл. Для стандартных пиломатериалов изменение длины при сушке пренебрежимо мало и не влияет на эксплуатационные характеристики изделий. К началу Коэффициенты усушки и их применение Коэффициент усушки представляет собой относительную величину, характеризующую изменение размера древесины при снижении влажности на один процент. Данный показатель позволяет выполнять расчеты для любого диапазона влажности в пределах от 30% до 0%. Между усушкой и убылью связанной влаги существует линейная зависимость, что делает использование коэффициентов удобным инструментом для инженерных расчетов. Определение коэффициентов Коэффициенты усушки определяются экспериментально на стандартных образцах согласно методике ГОСТ 16483.35. Образец насыщают влагой до состояния максимальной гигроскопичности, измеряют линейные размеры с точностью до 0,01 мм, затем высушивают до абсолютно сухого состояния и повторяют измерения. Частное от деления полной усушки на 30 (предел гигроскопичности) дает значение коэффициента. Коэффициенты усушки зависят от породы древесины, условий произрастания и зоны годичного слоя. Хвойные породы в среднем имеют меньшие коэффициенты, чем лиственные. Для сосны объемный коэффициент составляет 0,44%, для ели — 0,43%, для березы — 0,54%, для бука — 0,47%. Эти значения используются при проектировании допусков на обработку и назначении припусков на усушку. Классификация пород по усушке По величине объемного коэффициента усушки породы подразделяются на несколько категорий. К слабоусыхающим относятся породы с коэффициентом менее 0,40%: ель плакучая, пихта, тополь, ясень. Умеренноусыхающие породы имеют коэффициент 0,40-0,47%: дуб, бук, вяз, липа, ольха. Сильноусыхающие породы с коэффициентом выше 0,47% включают березу, лиственницу, клен. Зависимость от плотности С увеличением плотности древесины коэффициент усушки, как правило, возрастает. Плотная поздняя древесина усыхает сильнее рыхлой ранней. Это обуславливает большую стабильность размеров у древесины равномерной структуры с небольшой разницей в плотности ранней и поздней зон. К началу Формулы пересчета размеров Расчет величины усушки и пересчет размеров пиломатериалов выполняется по установленным формулам, учитывающим коэффициент усушки породы и диапазон изменения влажности. Основная формула для определения частичной усушки при известном коэффициенте имеет следующий вид: Y = K × (Wn - Wk), где Y — усушка, %; K — коэффициент усушки; Wn и Wk — начальная и конечная влажность, % Данная формула применяется при условии, что начальная влажность не превышает предела гигроскопичности (30%). Если древесина имеет влажность выше 30%, в расчетах вместо фактической начальной влажности используется значение 30%, поскольку свободная влага не участвует в процессе усушки. Пересчет линейных размеров Для определения конечного размера пиломатериала после сушки используется формула: a1 = a0 × (1 - Y/100), где a1 — размер после сушки; a0 — начальный размер; Y — усушка, % Обратная задача — определение начального размера заготовки для получения требуемого конечного размера — решается по формуле: a0 = a1 / (1 - Y/100) Расчет припуска на усушку Припуск на усушку определяется как разность между размером сырого пиломатериала и номинальным размером сухого изделия. Величина припуска рассчитывается по формуле: h = a × Y / 100, где h — припуск, мм; a — номинальный размер, мм; Y — усушка, % Для пилопродукции радиальной распиловки величины припусков, полученные по таблицам для смешанной распиловки, умножаются на поправочный коэффициент 0,6, учитывающий меньшую усушку в радиальном направлении. К началу Практические примеры расчета Пример 1: Усушка соснового бруса Требуется определить конечные размеры соснового бруса сечением 150×150 мм при сушке от влажности 60% до 8%. Поскольку начальная влажность превышает 30%, для расчета принимаем Wn = 30%. Коэффициент тангенциальной усушки сосны Kt = 0,28. Расчет усушки: Y = 0,28 × (30 - 8) = 6,16%. Конечный размер: a1 = 150 × (1 - 6,16/100) = 140,8 мм. Таким образом, брус после сушки будет иметь сечение приблизительно 141×141 мм. Суммарная усушка по каждой грани составит около 9 мм. Пример 2: Припуск для буковой доски Необходимо определить припуск на усушку для буковой доски тангенциальной распиловки толщиной 25 мм при сушке от 35% до 10%. Коэффициент тангенциальной усушки бука Kt = 0,35. Усушка: Y = 0,35 × (30 - 10) = 7,0%. Припуск: h = 25 × 7,0 / 100 = 1,75 мм. Следовательно, для получения сухой доски толщиной 25 мм необходимо распилить заготовку толщиной не менее 26,8 мм. Пример 3: Радиальная распиловка Для дубовой доски радиальной распиловки шириной 200 мм определить изменение размера при сушке от 40% до 12%. Коэффициент радиальной усушки дуба Kr = 0,18. Усушка: Y = 0,18 × (30 - 12) = 3,24%. Изменение размера: h = 200 × 3,24 / 100 = 6,5 мм. Доска после сушки будет иметь ширину около 193,5 мм. Для сравнения: при тангенциальной распиловке с коэффициентом 0,29 усушка составила бы 5,22%, а уменьшение ширины — 10,4 мм. Учет погрешностей Приведенные расчеты дают усредненные значения. Фактическая усушка может отличаться в пределах 10-15% в зависимости от условий произрастания, зоны ствола и режима сушки. Для ответственных изделий рекомендуется закладывать дополнительный запас 5-10% от расчетной величины припуска. К началу Нормативное регулирование по ГОСТ Величины усушки пилопродукции нормируются государственными стандартами, устанавливающими припуски для обеспечения номинальных размеров. Основными нормативными документами являются ГОСТ 6782.1-75 для хвойных пород и ГОСТ 6782.2-75 для лиственных пород. Стандарты распространяются на пилопродукцию тангенциальной, радиальной и смешанной распиловок. ГОСТ 6782.1-75 для хвойных пород Стандарт устанавливает величины усушки по толщине и ширине для пилопродукции из сосны, ели, кедра, пихты и лиственницы. Номинальные размеры устанавливаются при влажности 15% или 20% в зависимости от назначения продукции. Для смешанной распиловки приведены таблицы величин усушки в диапазоне конечной влажности от 5% до 37%. Лиственница выделена в отдельные таблицы ввиду существенно большей величины усушки по сравнению с другими хвойными породами. Для пилопродукции из лиственницы величины усушки в среднем на 25-30% выше, чем для сосны и ели при одинаковых условиях. ГОСТ 6782.2-75 для лиственных пород Данный стандарт устанавливает величины усушки для березы, бука, дуба, клена, ясеня, ольхи, осины, тополя и других лиственных пород. Пилопродукция лиственных пород характеризуется большей величиной усушки по сравнению с хвойными, особенно в тангенциальном направлении. Стандарт предусматривает раздельные таблицы для тангенциальной и радиальной распиловки. Методика определения усушки Метод определения усушки древесины регламентирован ГОСТ 16483.37-88. Стандарт устанавливает требования к образцам, оборудованию, порядку проведения испытаний и обработке результатов. Испытания проводятся на образцах в форме прямоугольной призмы с основанием 20×20 мм и высотой вдоль волокон от 10 до 30 мм, ориентированных строго по структурным направлениям древесины. Взаимосвязь стандартов ГОСТ 6782.1-75 соответствует международному стандарту СТ СЭВ 1148-78 и учитывает требования рекомендации ИСО Р 738, что обеспечивает совместимость с зарубежными нормами при экспортных поставках пилопродукции. К началу Вопросы и ответы При какой влажности начинается усушка древесины? Усушка начинается при достижении предела гигроскопичности, который для большинства пород составляет 28-30%. До этого момента удаляется свободная влага из клеточных полостей, что не влияет на размеры. При снижении влажности ниже 30% начинается испарение связанной (адсорбционной) влаги, что приводит к уменьшению линейных размеров и объема древесины. Почему тангенциальная усушка больше радиальной? Различие обусловлено анизотропией строения древесины. Микрофибриллы в клеточных стенках ориентированы преимущественно вдоль оси клетки, поэтому при удалении влаги поперечные размеры сокращаются сильнее. Кроме того, сердцевинные лучи, расположенные в радиальном направлении, оказывают сдерживающее влияние и уменьшают радиальную усушку. Тангенциальная усушка в 1,5-2 раза превышает радиальную. Как определить припуск на усушку для нестандартного размера? Для размеров, отсутствующих в таблицах ГОСТ, припуск определяется методом интерполяции. Находят ближайшие меньший и больший табличные размеры, определяют соответствующие им величины усушки, затем вычисляют пропорциональную поправку. Альтернативно можно использовать расчетную формулу: h = a × K × (Wn - Wk) / 100, где a — номинальный размер, K — коэффициент усушки породы. Какие породы имеют наименьшую усушку? К слабоусыхающим относятся породы с объемным коэффициентом усушки менее 0,40%: ель плакучая, пихта кавказская, тополь, ясень обыкновенный. Среди хвойных пород наименьшую усушку демонстрирует ель (объемная 8,4-11,8%). Среди лиственных — осина (11,1%) и черная акация (9,8%). Эти породы предпочтительны для изделий, требующих высокой размерной стабильности. Учитывается ли продольная усушка при расчетах? В большинстве практических расчетов продольная усушка не учитывается ввиду незначительной величины (0,1-0,3%). Исключение составляет креневая древесина, у которой продольная усушка может достигать 5%. Для стандартных пиломатериалов изменение длины при сушке пренебрежимо мало и не влияет на эксплуатационные характеристики изделий. Нормативные документы не устанавливают припуски по длине. Как влияет способ распиловки на величину усушки? Способ распиловки определяет преобладающее направление усушки в пиломатериале. Доски тангенциальной распиловки усыхают по толщине и ширине преимущественно в тангенциальном направлении (максимальная усушка). Радиальная распиловка обеспечивает меньшую усушку: для получения величины припуска таблицничные значения для смешанной распиловки умножают на коэффициент 0,6. Радиальные доски более стабильны и меньше коробятся.