Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 7
1.1. Планирование раскроя и изучение методов раскроя круглых лесоматериалов на заготовки 8
1.2. Место операции оценки качества пиломатериалов в технологическом процессе 12
1.3. Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей раскроя пиломатериалов на заготовки 13
1.4. Работы по исследованию встречаемости и обнаружению пороков древесины 19
1.5. Совершенствование нормативных документов 33
Глава 2. Теоретические исследования 38
2.1. Постановка задачи и выбор критерия оценки качества пиломатериалов 38
2.2. Обоснование требований к модели доски и выбор модели для исследования операции поперечного раскроя 39
2.3. Анализ встречаемости различных пороков древесины в сырье и пиломатериалах 42
2.4. Классификация пороков древесины как объектов для систем диагностики 48
2.5. Выводы по главе 58
Глава 3. Экспериментальные исследования 59
3.1. Методические эксперименты 59
3.2. Методика и результаты экспериментальных исследований 66
3.3. Результаты контрольных экспериментов 78
3.4. Выводы по главе 83
Глава 4. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований 85
4.1. Использование фонда моделей для разработки нормативных документов 85
4.2. Использование фонда моделей для обоснования технологии раскроя 96
Общие выводы и рекомендации 100
Список литературы 110
- Планирование раскроя и изучение методов раскроя круглых лесоматериалов на заготовки
- Совершенствование нормативных документов
- Методические эксперименты
- Использование фонда моделей для обоснования технологии раскроя
Введение к работе
Актуальность темы.
Целью исследования является доказательство возможности моделирования качества пиломатериалов для выполнения операций сортировки и выбора варианта раскроя на заготовки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выполнить ретроспективный анализ исследований посвященных
изучению встречаемости пороков в пиловочном сырье и пилопродукции;
разработать теоретическую модель доски, учитывающую её качество;
установить взаимосвязь расположения пороков между поверхностями пиломатериала;
оценить пиломатериалы по насыщенности пороками древесины;
- разработать методику выбора способа сортировки и раскроя
пиломатериалов.
Объектом исследованияявляется процесс оценки качества пиломатериалов при последующем его раскрое.
Методы исследований.При выполнении диссертационной работы были использованы методы математической статистики, теории графов, теории рангов итеории вероятностей. Для обработки экспериментальных данных использовался MicrosoftExcel.
Научная новизна работы.
предложена новая секторно-круговая модель пиломатериала;
представлен новый подход (новая методика выбора способа раскроя пиломатериалов) к раскрою пиломатериалов;
предложена новая классификация пороков древесины, облегчающая построение систем автоматического опознавания дефектов;
- получены новые данные по взаимном расположению пороков на
поверхностях пиломатериалов;
- установлена теснота связи расположения пороков на всех
поверхностях пиломатериала
На защиту выносятся следующие научные положения:
секторно-круговая модель пиломатериала;
новая классификация пороков древесины;
установлены зависимости между поверхностями пиломатериалов насыщенных пороками древесины;
взаимосвязь расположения пороков между поверхностями пиломатериала;
- разработаны рекомендации для сортировки пиломатериалов по качеству.
Достоверность выводов и результатов исследований.Научные
положения, выводы и рекомендации, изложенные в работе подтверждены теоретическими решениями и экспериментальными исследованиями.
Практическая значимость. Определяется внедрением в практику результатов исследований при планировании технологии глубокой деревообработки и совершенствовании стандартов на пилопродукцию.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований будут использованы для разработки технологии глубокой деревообработки на предприятиях отрасли идля формирования информационных фондов по качеству лесоматериалов.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: международной научно-технической конференции «Проблемы развития дизайна и композиции художественных изделий» (Архангельск, 2010), международной научно-технической конференции «Лісове господарство України: проблеми та перспективи» (Львов, 2011), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2011), научно-технической конференции «Наука и образование для лесопромышленного комплекса России» (Москва, 2012), международной молодёжной научной конференции по естественнонаучным и техническим
дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2012), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов АГТУ - САФУ имени М.В. Ломоносова, 2010-2013 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 2 по списку ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация содержит введение, 4главы, выводы и рекомендации, список литературы и приложения. Объём работы: основного текста -107 с, иллюстраций - 37, таблиц - 49, список литературы -90 наименований.
Планирование раскроя и изучение методов раскроя круглых лесоматериалов на заготовки
Планированием раскроя по цепочке «сырье-пиломатериал-заготовки» занимались П.П. Аксенов, Ф.Л. Фишкина и другие [1,6,7]. Раньше раскрой пиломатериалов на заготовки осуществлялся в основном на деревообрабатывающих предприятиях, куда пиломатериалы поступали с лесопильных заводов. Но, как предложил П.П. Аксенов, производство заготовок выгоднее концентрировать на лесопильных предприятиях, т.к. это снизит объем перевозок, как пиломатериалов, так и полученных при этом отходов. На лесопильных предприятиях появится необходимость планирования раскроя по новой цепочке - «сырьё - пиломатериал - заготовки». Профессор П.П. Аксёнов подробно исследовал теоретическую сторону проблемы, но только с учётом геометрии сырья и пилопродукции. При рассмотрении же вторичного раскроя, то есть раскроя пиломатериалов - полуфабрикатов на заготовки ему пришлось ограничиться общими рекомендациями или примерами раскроя хвойных и лиственных пиломатериалов на отдельные виды продукции (мебельные заготовки, щитовые, тарные заготовки и т.п.). Одним из основных выводов П.П. Аксенова была рекомендация раскраивать пиломатериалы на короткомерные бездефектные заготовки для последующего склеивания.
Профессор А.А. Пижурин проводил исследования, объектом которых являлись процессы раскряжевки хлыстов и раскроя бревен на пиломатериалы [54,56]. Цель исследования - разработка имитационной модели раскроя пиловочного сырья на пиломатериалы. Методами исследования были - методы математического и машинного моделирования с использованием ЭВМ ЕС-1032. В результате были разработаны имитационные модели процессов раскроя хлыстов и бревен, областью применения которых стали исследование и оптимизация процессов раскроя пиловочного сырья.
А.И. Айзенберг и П.В. Любина работали над проблемой - «увеличения выхода пиломатериалов из крупномерного соснового сырья» [18]. В одноименной статье они привели результаты раскроя крупномерных сосновых бревен (50-62см), показав, что сортность таких бревен определяется не только сучками, но и наличием гнилей и метиковых трещин, что предопределяет особенности их распиловки. Были исследованы три схемы раскроя - глубокий брус (0,3 - 0,4), обычный брус (0,6 - 0,8) и два бруса суммарной высотой 0,6-0,8 диаметра. В результате сделан вывод о том, что наиболее эффективен раскрой с глубоким брусом, обеспечивающим разделение качественных зон. В некоторых случаях может быть рекомендован вариант с обычным брусом, доски из которого подвергаются последующему делению по ширине. В этом случае увеличивается производительность лесопильных рам на 15 - 20%. В статье приведены результаты экспериментальных исследований и их экономическая оценка.
Сравнительные исследования эффективности различных методов раскроя березового сырья на пиломатериалы и заготовки выполнены Г.И. Кондратовой [22]. Ею установлено, что развальный метод раскроя обеспечивает более высокий выход заготовок и меньшие затраты на единицу продукции по сравнению с брусоворазвальным и развально-сегментным способами. Полученные результаты автор объясняет тем, что при распиловке вразвал лучше используется древесина у бревен, имеющих характерные для березы пороки - кривизну и гниль.
Несколько иные выводы получены Г.Н. Берестневой при исследовании раскроя березового сырья на заготовки для однослойных щитов паркета [28]. Здесь наиболее эффективным оказался брусово-развальный способ, причем из-за выработки заготовок только одного сечения распиловку пришлось выполнять за три прохода. Выход заготовок в зависимости от диаметра изменялся в пределах от 22 до 38% от сырья. М.В. Тихонова и В.М. Тихонов занимались изучением вопроса переработки мягких лиственных пород и березы на пиломатериалы и тарные заготовки.
Использование древесины мягких лиственных пород и березы в производстве тары может быть доведено до 80-90%. Расход древесины на производство тарных заготовок зависит в основном от породы древесины, сорта досок и размера тарных заготовок. В ходе экспериментальных работ по переработке необрезных березовых и осиновых досок была определена потребность досок на выработку 1 м3 тарных заготовок (в зависимости от сорта досок и их толщин) [38]. Найдены расходные коэффициенты при выработке деталей ящичной тары из досок. Расход осиновых пиломатериалов на выработку тары значительно выше, чем березовых, так как осиновое сырье характеризуется большим средним диаметром, меньшей кривизной и большим наличием гнили, чем березовое. Снижение расходных коэффициентов возможно за счет улучшения технологии раскроя досок, переработки отходов на тарные заготовки и применения нового оборудования и инструмента.
СвердНИИПдревом была разработана «Технологическая инструкция по производству деталей нестроганной тары из березовых пиломатериалов», в которой приведены технологические процессы производства тарных дощечек с различным головным оборудованием и технологическими режимами. М.В. Тихонова и В.М. Тихонов, проанализировав размерно-качественный состав пиловочного сырья мягких лиственных пород и экспериментальные работы по распиловке этого сырья на пиломатериалы, а пиломатериалов на заготовки сделали вывод - наиболее рационально пиловочное сырье распиливать вразвал на необрезные доски с последующим раскроем их поперечно-продольным способом на заготовки с выработкой маломерных отрезков для сращивания.
При раскрое мягких лиственных пород на короткомерные заготовки образуется много отходов древесины. У.Э. Яунсилс изучал эту проблему и занимался поиском возможностей сокращения отходов образующихся при переработке сырья мягких лиственных пород на короткомерные заготовки. На величину отходов древесины и увеличение выхода короткомерных заготовок влияет множество факторов [67]. В своих исследованиях У.Э. Яунсилс проанализировал два наиболее значимых фактора:
1) размерно-качественные особенности сырья (толщина, степень пораженности гнилью, сучками)
2) размерно-качественные особенности короткомерной пиленой продукции (толщина, ширина, длина, требования к качеству). В зависимости от исследуемых факторов определялся и способ раскроя, обеспечивающий наилучшее использование древесины. По результатам проведенных исследований было установлено, что в зависимости от размерно-качественной характеристики сырья и вырабатываемой продукции, для увеличения выхода и сокращения отходов - наиболее эффективными являются брусовый или сегментно-тангентальный способ раскроя. При обработке экспериментальных данных были получены уравнении, связывающие параметры сырья и заготовок с ожидаемым выходом продукции. Основываясь на проведенных исследованиях, У.Э. Яунсилс получил значения предельно допускаемой гнили и сучков в осиновом сырье (предназначенном для раскроя на короткомерные заготовки) различной толщины.
Ф.Л. Фишкина также изучала зависимость объемного выхода от числа обрезных досок выкраиваемых из необрезной доски. Объемный выход из необрезной доски растет с отдалением её от центра торца бревна и с увеличением числа обрезных досок. Наибольшая интенсивность роста объемного выхода будет при поперечном раскрое необрезной доски на две обрезные [6].
Она также проводила исследования по изучению выхода деталей строганной тары из обрезных и необрезных пиломатериалов I, II, III и IV сортов Определение выхода проводилось применительно к ящикам, наиболее типичным для строганной тары, вырабатываемой на лесозаводах. В процессе работ проводился специальный подбор пиломатериалов отдельно I, II, III и IV сортов. В каждую опытную партию включались доски одной толщины и ширины. Раскрой проводился индивидуальный и комбинированный (на крупные и мелкие заготовки) по длине.
В результате проведенных работ выяснилась неправильность применения обезличенной укрупненной нормы расхода пиломатериалов на производство строганной тары. Необходимо было в ближайшее время утвердить дифференцированные нормы расхода, что дало бы возможность рассмотреть процесс выработки пиломатериалов из бревен и переработки пиломатериалов в конечную продукцию, как этапы единого процесса и рационально использовать древесину, начиная с бревна.
Исследованиями раскроя мягколиственного сырья в течение многих лет глубоко занималась группа ученых из Белорусского технологического института (Н.А. Батин, Е.Е.Сергеев, В.И. Пастушени А.А. Янушкевич и др.), которая, в частности, установила, что наиболее эффективна комплексная переработка березы, осины и ольхи на заготовки (черновые мебельные, для паркета) и технологическую щепу.
Совершенствование нормативных документов
Пиломатериалы сортируются по определенным признакам. Главным признаком качества, наряду с размерами, является структура древесины. В этой связи пороки древесины образуют важнейшие параметры качества для определения сорта пиломатериала. Сортировка производится в основном по виду, количеству и размеру допустимых пороков древесины.
Существуют российский и европейские стандарты Европейские стандарты (EN) разрабатывает Европейский комитет по стандартизации (СЕН). Членами этого комитета являются национальные органы по стандартизации Бельгии, Германии, Австрии, Греции, Португалии, Дании, Великобритании, Ирландии, Испании, Нидерландов, Исландии, Италии, Норвегии, Финляндии, Чехии, Франции, Люксембурга, Швейцарии и Швеции. Если европейский стандарт будет принят, то все перечисленные выше страны должны обеспечить его применение в качестве национального стандарта, при том без какого-либо изменения. Благодаря этому снимаются технические барьеры в торговле лесоматериалами в странах Европы. Следует отметить, что разработку стандартов проводят страны, в основном потребляющие лесоматериалы.
Начиная с 1998 года, Европейский Комитет по стандартизации (СЕН) проводит активную политику распространения на европейском рынке пиломатериалов стандарта ЕН, в основу которого положены шведские правила сортировки пиломатериалов (так называемая «Синяя книга»). Поскольку Россия теперь лишилась ведущего положения в соответствующем техническом комитете ИСО (ТК 218), то отечественная промышленность стоит перед проблемой переработки действующих стандартов на экспортные пиломатериалы, в первую очередь ГОСТ 26002-83 «Пиломатериалы экспортные северной сортировки», которым руководствуется большая часть изготовителей этой продукции. Даже первое сопоставление двух нормативных документов показывает, что возможные изменения могут задеть не только ГОСТ 26002-83, но также ГОСТ 24454-80, «Пиломатериалы хвойных пород. Размеры» и ГОСТ 6782.1-75 «Пилопродукция из древесины хвойных пород. Величина усушки». Со стороны СЕН им будут противопоставлены EN 844 "Словарь терминов по лесоматериалам", EN 1310, 1311 "Круглые лесоматериалы и пиломатериалы. Методы измерения признаков и биологических повреждений", EN 1313-1:1997 "Круглые и пиленые лесоматериалы. Допускаемые отклонения и предпочтительные размеры", EN 1611-1:1999 "Пиломатериалы. Визуальная сортировка хвойных пиломатериалов -Часть 1: Европейская ель, пихта, сосна, дугласовая пихта".
Если сравнивать европейские и российские стандарты, то первое различие заключается в перечне пород древесины, на которые распространяется действие нормативных документов. В российском стандарте это сосна, ель, пихта, лиственница, кедр, в документе СЕН - европейская ель, пихта, сосна, пихта (дугласия), то есть ГОСТ 26002-83 охватывает породы с более широким диапазоном не только физико-механических показателей, но декоративных свойств. Очевидно, этим объясняется разный подход к формулировке области распространения стандарта. В российском стандарте указано, на что он распространяется (обрезные пиломатериалы), а в стандарте СЕН на что он не распространяется (конструкционные пиломатериалы, сортированные по прочности).
В стандарте СЕН полностью отсутствует раздел «Упаковка и маркировка, транспортирование и хранение», отнесенный к компетенции контракта, не нормируются риски, бахрома, скос пропила, сколы, волнистость, вырывы, инородные включения.
Номинальные размеры в обоих стандартах устанавливаются для влажности 20%, разрешена поставка пиломатериалов с другой влажностью (компетенция контракта), однако в стандарте СЕН величина усушки или разбухания рассчитывается по линейной шкале (0.25% от размера на 1% влажности выше или ниже номинальной), а не определяются по таблице (ГОСТ 6782.1-75). К формальным различиям можно отнести то, что стандарт СЕН не разделяют пиломатериалы на группы по толщинам, ширинам и длинам, как это предусмотрено российским стандартом, более существенна разница в сетке размеров по толщине и ширине и величинам предельных отклонений размеров поперечного сечения и длины (таблица 5).
В то же время СЕН предлагает менее сложную браковку продукции по наличию и характеру нормирования сучков, трещин, грибных поражений и обзола.
Существует также некоторое различие в терминах и их толковании. Термин "несросшийся сучок" (ГОСТ 26002-83) соответствует термину "сухой сучок" (EN). Также в ГОСТ 26002 к несросшимся сучкам относят сучки с любым наличием гнили; существует понятие "сквозной гнилой сучок (загнивший, табачный)", "несквозной гнилой сучок".
Приведенный выше краткий перечень различий ГОСТ 26002-83 и EN показывает, что прямой перенос стандарта СЕН в практику отечественного лесопиления приведет к большим затратам на переналадку оборудования и обучению кадров.
В заключении, можно сказать, что все эти различия ведут не к изменению общих принципов, а к вопросу «как измерять пороки». К примеру, в российском стандарте диаметр сучков на пластях вычисляют как наименьший диаметр сучка. _ _ В свою очередь EN 1611-1 предполагает измерение пластевого сучка - как полусумму его наибольшего и наименьшего диаметров. В итоге получаем, что объект измерения остается неизменным, различается лишь подход к измерению объектов.
Методические эксперименты
Методические эксперименты проводились с целью установить, существует ли какая-либо закономерность в расположении дефектов по длине доски. По общепринятой практике исследования раскроя выполнялись с иной целью -для определения выхода заготовок. В этих случаях производился условный раскрой обрезных или необрезных пиломатериалов с помощью шаблонов или путем нанесения линий пропилов с помощью мелка или маркера. В этом случае размер дефекта или порока древесины маскировался из-за того, что число размеров заготовок было ограничено и, как следствие, длина вырезаемого дефектного участка зависела от условий эксперимента и субъективного мнения исполнителя. Таким образом, общепринятый методический подход был неприемлем ни по замыслу, ни по технике исполнения. Для того чтобы исключить влияние привходящих факторов, было принято решение принять в качестве основного критерия длину участка, вырезаемого для удаления дефекта или порока древесины.
Техническая возможность проведения такого эксперимента была обусловлена появлением и применением в производстве нового типа оборудования - так называемых линий - оптимизаторов. Принцип работы этих линий, предлагаемых различными производителями, практически одинаков. Оператор, осматривает заготовку и ставит на участок доски, подлежащий удалению, метку (прямую или наклонную линию, зигзаг, волнообразный штрих и т.д.), по которой автоматизированным торцовочным станком производится вырезка дефектного участка.
Разработка таких систем была начата ещё в 70-80-х годах прошлого века, когда испытывались различные варианты материалов для разметки. В результате наилучшим был признан флуоресцирующий мелок, а управляющее устройство было спроектировано на базе процессора, применяемого в персональных компьютерах. Такая архитектура управляющего устройства позволяет кроме управления раскроем осуществлять управление сортировкой заготовок, осуществлять учёт и контролировать выполнения задания по количеству заготовок заданной длины и группы качества, накапливать учётную информацию по другим параметрам работы линии.
В соответствии с поставленной целью необходимо было получить следующую информацию по каждому вырезаемому дефекту:
-длина дефекта или порока древесины (Z,j);
- длина фактически вырезанного отрезка - вырезки (Z2);
- длина отрезка от первого среза до первого края дефекта (L3);
- длина отрезка от второго края дефекта до второго среза (z,4);
- расстояние от первого среза до начала метки (L5);
- расстояние от конца метки до второго среза (L6).
Для методического эксперимента было принято, что по протяжённости дефекта или порока древесины можно выделить шесть групп:
1) от 5 до 50 мм;
2) более 50 и до 100 мм;
3) более 100 и до 150 мм;
4) более 150 и до 200 мм;
5) более 200 и до 250 мм;
6) более 250 мм.
По экспертным соображениям было принято, что количество образцов по каждой группе должно быть не менее пяти. Поскольку контролировать этот предел в процессе экспериментов было невозможно, то было принято, что общее количество образцов должно быть около 100 (более чем трёхкратное увеличение) с возможностью последующего продолжения эксперимента после промежуточного контроля. С учётом указанных предположений была сформирована методическая сетка по схеме полного факторного эксперимента (таблица 9).
Данные необходимые для вычисления коэффициентов корреляции приведены в расчетных таблицах, представленных в приложении 3.
Если коэффициент корреляции по модулю не менее 0,7, то взаимосвязь признается значимой. При нулевом значении коэффициента корреляции зависимость отсутствует. Корреляционная зависимость возникает тогда, когда один из признаков зависит не только от данного второго, но и от ряда случайных факторов или же когда среди условий, от которых зависят и тот и другой признаки, имеются общие для них обоих условия.
Коэффициент корреляции для первой пары равен rZ,,Z,2= 0,997, т.е. очевидна зависимость, которая близка к функциональной.
Для двух других пар коэффициент корреляции показал полное отсутствие какой-либо зависимости: rZ,, L3= 0,024, rLx L= 0,015
Для большей наглядности был построен график зависимости длины образца (вырезки) от длины дефекта.
На графике прослеживается линейная зависимость длины дефекта от длины образца.
Использование фонда моделей для обоснования технологии раскроя
На основании установленных зависимостей между наличием пороков на поверхностях пиломатериала, можно предложить новые рекомендации по сортировке пиломатериалов. Представим полученные результаты из таблицы 48а для каждого сечения в виде графов. Из представленных ниже графов можно сделать следующие выводы:
Тонкие сосновые пиломатериалы с поперечным сечением 19 100 мм, 22 100 мм, 19 150 мм, 22 150 мм, 22 150 мм можно сортировать по одной худшей пласти. При том желательно по второй пласти - в данном исследовании -это внутренняя пласть. Для толстых пиломатериалов процесс сортировки усложняется, необходимо перед раскроем оценивать обе пласти и одну худшую кромку.
По еловым пиломатериалам ситуация схожа - пиломатериалы с поперечным сечением 19 100 мм, 22 100 мм, 25 100 мм, 38 100 мм, 19 150 мм, 22 150 мм, 25 150 мм, 38 150 мм можно сортировать по одной худшей пласти. Пиломатериалы с поперечным сечением 50 100 мм - необходимо оценивать либо по обеим пластям, либо по первой пласти и одной худшей кромке; а пиломатериалы с поперечным сечением 50 150 мм целесообразно оценивать по обеим пластям и одной худшей кромке.
