Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. Цель и задачи исследований 14
1.1. Анализ состояния и перспективы развития производства пиломатериалов 14
1.2. Классификация пиломатериалов и качественных
характеристик древесины 20
1.3. Изменчивость физико-механических свойств древесины 32
1.4. Систематизация факторов, влияющих на формирование клеевых соединений цельной древесины и методы оценки
их качества 39
1.5. Методы оценки размерно-качественных характеристик круглых лесоматериалов 42
1.6. Анализ физических методов испытаний пиломатериалов 50
1.7. Выводы и задачи исследования 61
2. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности применения физических методов испытания древесных материалов в процессе обработки 64
2.1. Краткая характеристика строения древесины 64
2.2. Исследование вариативности физико-механических свойств и размеров круглых лесоматериалов 65
2.3. Исследование физико-механических свойств хлыстов 74
2.4. Исследование микро- и макростроения древесины хвойных пород 79
2.5. Исследование физическо-механических свойств пиловочных бревен 86
2.6. Исследование распределения механических характеристик по объему круглых лесоматериалов 104
2.7. Оценка соответствия круглых лесоматериалов свойствам готовой продукции 107
2.8. Выводы 110
3. Основные методические положения 113
3.1. Общие положения 113
3.2. Исходное сырье и материалы, применяемое оборудование 113
3.3. Методы исследований
3.3.1. Методика исследования микро- и макростроения древесины ... 116
3.3.2. Методика исследования распределения плотности и влажности древесины в объеме круглых лесоматериалов 119
3.3.3. Методика определения строения древесины и ее влажности методом магнитно-резонансной томографии (МРТ) 121
3.3.4. Методика определения строения древесины и ее плотности методом компьютерной томографии (КТ) 123
3.3.5. Методика исследования распределения механических характеристик по объему хлыста 125
3.3.6. Методика оценки скорости прохождения акустических колебаний через древесину 128
3.3.7. Методика определения плотности древесины и прочности клеевых соединений методом рентгенографии 130
3.3.8. Методика исследования структуры клеевого соединения 133
3.4. Методика планирования экспериментов и обработки полученных результатов 137
4. Обоснование методов оценки строения и свойств круглых лесоматериалов 138
4.1. Разработка методики оценки внутреннего строения древесины с использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ) 138
4.2. Разработка методики оценки внутреннего строения древесины с использованием компьютерной томографии 143
4.3. Выводы 148
5. Методы оценки свойств пиломатериалов и обоснование необходимости их применения при склеивании цельной клееной древесины 150
5.1. Обоснование необходимости оценки свойств пиломатериалов 150
5.2. Исследование влияния плотности древесины на ее прочность и скорость прохождения акустических колебаний
5.3. Методика оценки прочности древесины методом рентгенографии 167
5.4. Обоснование условий и режимов склеивания цельной древесины 173
5.5. Исследование структуры клеевых соединений 189
5.6. Повышение качества склеивания пиломатериалов 199
5.7. Разработка логистической схемы контроля сырья и материалов по качественным характеристикам 202
5.8. Выводы 205
6. Экономическое обоснование целесообразности сортировки пиловочника по качественным признакам 208
6.1. Общие требования к проектированию лесопильного предприятия 208
6.2. Экономическое обоснование целесообразности разделения сырья лесопильных предприятий по степени его экономической ценности 213
6.3. Методика и пример расчета процессов сортировки и накопления пиловочных бревен 221
6.4. Оценка экономической эффективности применения томографии на участке сортировки круглых лесоматериалов 224
6.5. Выводы 227
Общие выводы и рекомендации 228
Список использованных источников
- Изменчивость физико-механических свойств древесины
- Исследование вариативности физико-механических свойств и размеров круглых лесоматериалов
- Методика исследования микро- и макростроения древесины
- Исследование влияния плотности древесины на ее прочность и скорость прохождения акустических колебаний
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Необходимость увеличения в РФ темпов строительства, включая деревянное домостроение, доли древесных материалов в изготовлении ответственных несущих элементов жилых и промышленных зданий и сооружений, ставит перед лесопильными предприятиями задачу перехода от сложившейся системы обеспечения объемного выхода пиломатериалов к производству пиломатериалов, требуемого заказчиком качества. Возрастает необходимость изготовления пиломатериалов не только с требуемыми размерами, но и одинаковыми в объеме сортиментов физико-механическими свойствами, обеспечивающими прочность и надежность конструкций в течение всего периода эксплуатации продукции.
Расширение номенклатуры и ассортимента материалов и изделий из древесины, комплексное и рациональное использование древесного сырья возможно на основе знаний строения и физико-механических свойств древесины обрабатываемых сортиментов и возможности их определения в производственном процессе в режиме реального времени обработки предмета труда.
Вследствие неоднородностей геоклиматических условий произрастания даже в условиях одной лесосеки древесине присуща высокая вариативность свойств, что требует применения современных методов их контроля.
Использование информации о размерах и свойствах предмета труда на основании только математико-статистических моделей, описывающих средние значения свойств древесины в объеме хлыста, не позволяет достоверно оценить характеристики будущей продукции.
Исследования по изучению размерно-качественных характеристик и разработка методов оценки физическо-механических свойств древесины в объеме лесоматериалов соответствуют приоритетному направлению развития науки, технологии и техники РФ «Рациональное природопользование».
Научное значение исследований в области строения и свойств древесины заключается в получении новых знаний о древесных материалах, объемно-структурном распределении элементов микро- и макростроения в объеме сортиментов, определяющих их потребительские свойства.
Практическая значимость исследований заключается в решении задач по оценке возможности использования различных зон круглых лесоматериалов для изготовления определенной номенклатуры древесных материалов с требуемыми свойствами.
Таким образом, повышение эффективности использования древесного сырья, путем обоснования местоположения в хлысте зон древесины с требуемыми свойствами, а также использование методик предварительной оценки его строения неразрушающими методами является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное хозяйственное значение для деревообрабатывающей промышленности.
Степень разработанности темы исследования
Значительный вклад в развитие науки о древесине в области оценки её физических и механических свойств, формы и размеров ствола, возможности
использования компьютерной томографии для оценки внутреннего строения древесины, разработки методов оценки прочности древесины внесли известные российские и зарубежные ученые: Н.П. Анучин, Н.А. Бабич, В.А. Баженов, Н.А. Батин, А.М. Боровиков, С.А. Ванин, В.Е. Вихров, Г.Д. Власов, С.П. Исаев, Р.Е. Калитеевский, А.Н. Кармадонов, Л.М. Ковальчук, В.А. Куликов, Б.К. Лакатош, Н.Л. Леонтьев, П.Н. Мазуркин, В.И. Мелехов, В.Е. Москалева, Н. И. Москвитин, В.В. Огурцов, В.И. Онегин, Л.М. Перелыгин, А.Н. Песоц-кий, А.А. Пижурин, А.Д. Платонов, О.И. Полубояринов, М.С. Розенблит, С.Н. Рыкунин, А.П. Рябоконь, В.Г. Санаев, В.В. Сергеевичев, Б.Н. Уголев, А.С. Фрейдин, В.М. Хрулев, П.Н. Хухрянский,А.Н. Чубинский, А.А. Яценко-Хмелевский, S. Bhandarkar, V. Bucur, H. Carino, F. Colin, B. Ericson, L. Fleur, C. Freyburger, F. Kollmann, S. Liang, W. Moschler, M. Okuma, P. Oven, R. Ross, O. Suchsland, Q. Wei и многие другие.
Выполненные исследования позволили обосновать методы и средства контроля древесины, разработать инновационные методики неразрушающего контроля круглых лесоматериалов, основанные на использовании компьютерной и магнитно-резонансной томографии. Предложен метод оценка качества клеевых соединений и строения пиломатериалов с использованием рентгенографии.
Перспективным направлением является проведение двухстадийного контроля и оценки качества пиломатериалов, включающего установление соответствия свойств круглых лесоматериалов требованиям к конечной продукции и контроль механических свойств древесины.
Цель работы – повышение эффективности использования древесного сырья в производстве пиломатериалов.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Теоретически и экспериментально обосновать необходимость и возможность оценки свойств и строения древесины круглых лесоматериалов и пиломатериалов неразрушающими методами контроля.
-
Теоретически и экспериментально обосновать необходимость перехода от моделей, построенных на среднестатистических данных, к сплошной оценке свойств древесины при раскрое круглых лесоматериалов.
-
Исследовать изменчивость физических свойств древесины в объеме хлыста основных пород Северо-Западного региона РФ.
-
Исследовать влияние строения древесины и ее физических свойств на механические свойства пиломатериалов.
-
Разработать методы неразрушающего контроля строения древесины у круглых лесоматериалов и пиломатериалов.
-
Исследовать и математически описать связь между базисной плотностью древесины и плотностью при эксплуатационной влажности.
7. Обосновать условия склеивания и требования к физическим свой
ствам древесины и ее строению для изготовления клееной продукции.
-
Обосновать принципы сортообразования пиломатериалов, основываясь на строении и физических свойствах древесины.
-
Определить экономическую целесообразность внедрения физических методов контроля древесины и выполнить их промышленную апробацию.
Научной новизной обладают:
-
Закономерности изменения физико-механических свойств древесины в хлысте, полученные в результате испытаний неразрушающими физическими методами.
-
Теоретически обоснованная и экспериментально подтвержденная методика оценки неразрушающими методами физических свойств древесины в стволе растущего дерева, позволяющая установить соответствие его свойств требованиям к конечной продукции.
-
Метод оценки круглых лесоматериалов с использованием магнитно-резонансной томографии и методика его реализации, позволяющие определить распределение влаги в сортименте и оценить его строение в промышленных и лабораторных условиях.
4. Теоретически обоснованная и экспериментально подтвержденная
возможность использования разработанных методов компьютерной томо
графии, позволяющей определить распределение массы в каждой единице
объема (плотности) сортимента и оценить его строение, рентгенографии для
оценки строения пиломатериалов и их физико-механических свойств и рент
геновской микро- и нанотомографии для оценки структуры клеевых соеди
нений.
5. Математико-статистические модели, описывающие физические свой
ства и строение древесины в хлыстах.
6. Классификация пиломатериалов, основанная на макростроении и
свойствах древесины, учитывающая технологические и эксплуатационные
требования к продукции из древесины.
Теоретическая значимость
- теоретическое и экспериментальное подтверждение возможности
оценки строения и свойств древесины физическими методами испытаний,
включая компьютерную томографию, магнитно-резонансную томографию,
микро- и нанотомографию, лазерное сканирование, рентгенографию, оптиче
скую микроскопию, сканирующую электронную микроскопию, акустиче
скую дефектоскопию на микро- и макроуровнях;
теоретическое и экспериментальное обоснование связи базисной плотности древесины на высоте 1,3 м с распределением плотности при заданном уровне влажности по объему хлыста;
теоретическое и экспериментальное обоснование качественного выхода пиломатериалов в зависимости от породы древесины и их местоположения в круглых лесоматериалах;
- математико-статистические модели распределения плотности и влаж
ности в объеме хлыста;
- математико-статистические модели процесса формирования клеевых
соединений.
Практическая значимость
Полученные результаты исследований могут быть использованы на лесозаготовительных, лесопильных и лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях при определении соответствия качества сырья требованиям к конечной продукции.
Для практики имеет значение:
методика оценки внутреннего строения круглых лесоматериалов методом компьютерной томографии;
методика оценки внутреннего строения круглых лесоматериалов методом магнитно-резонансной томографии;
методика оценки соответствия качества древесины в условиях лесосеки требованиям, предъявляемым к готовым материалам и изделиям из цельной древесины;
методика определения показателей работы лесопильного производства при введении сортировки лесоматериалов по физико-механическим свойствам;
алгоритм определения местоположения пиломатериалов в стволе, основанный на требуемых физико-механических свойствах;
логистическая схема контроля сырья и материалов по качественным характеристикам.
Разработанные методы контроля свойств исходного сырья позволяют исключить из технологического процесса древесину с несоответствующими характеристиками, что снижает затраты на выпуск заведомо неспецификаци-онной продукции и укладывается в концепцию рационального природопользования.
Методология и методы исследования
Основу исследований составил системный подход, основанный на использовании современных методов и методик научного поиска. Применение современных методов исследований, включая компьютерную, магнитно-резонансную, микро- и нанотомографию, лазерное сканирование, рентгенографию, оптическую микроскопию, сканирующую электронную микроскопию, акустическую дефектоскопию позволило изучить строение древесины на микро- и макро уровнях, обосновать распределение физических свойств по объему сортиментов и физические неразрушающие методы контроля древесины и клееных материалов.
Информационную базу исследований составили материалы собственных научных исследований, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, конференций, патентная информация, официальные сведения компаний-производителей оборудования из сети Интернет.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Сортообразование пиломатериалов необходимо осуществлять на основе физико-механических свойств и строения древесины, в отличие от применяемых сегодня принципов визуальной сортировки.
-
Изменчивость физико-механических свойств и строения древесины даже в стволе одного дерева требуют их оценки до и непосредственно в процессе обработки, используя физические неразрушающие методы испытаний.
-
Оценка физических свойств в объеме растущего дерева, основанная на их взаимосвязи с базисной плотностью, а также плотностью при заданной влажности, позволяет определять свойства пиломатериалов и их соответствие требованиям к готовой продукции на этапе проведения лесозаготовительных работ.
-
Физические методы оценки свойств и строения древесины, в отличие от традиционных разрушающих методов контроля, могут использоваться на всех этапах производственного процесса и обеспечивать сплошной контроль сырья и материалов в режиме реального времени перемещения предмета труда.
Степень достоверности
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обоснованными упрощениями, корректными допущениями при замене реальных процессов расчетными схемами и разработке математических моделей; современными средствами научного поиска; результатами испытаний, проведенных на предприятиях отрасли, приемлемыми совпадениями результатов теоретических исследований с экспериментальными данными и положительными результатами внедрения технологии в производства.
Апробация работы
Результаты исследований апробированы в лабораторных условиях (ФГБУ «СПбНИПНИ им. В.М. Бехтерева, ресурсный центр «Геомодель» СПбГУ), внедрены в производственные процессы лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств (в производстве круглых лесоматериалов ООО «Кириши Леспром», в производстве клееного бруса ООО «СК «Русь»). Результаты исследования отмечены тремя грантами Правительства Санкт-Петербурга в 2009, 2011 и 2014 гг., из них две работы выполнены лично автором, одна – под его руководством.
По результатам работы получены два патента на изобретение и два на
полезную модель. Результаты исследований используются в учебном процес
се в дисциплинах: «Физика древесины», «Инновационные методы контроля
древесины и древесных материалов», «Технология лесопильно-
деревообрабатывающих производств» и «Методология проектирования технологических процессов лесопиления».
Основные положения диссертации докладывались на НТК: Актуальные проблемы лесного комплекса (Брянск, 2007), Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса (Кострома, 2012 - 2013), Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка (Сыктывкар, 2013); НПК: Современные проблемы и пер-
спективы рационального лесопользования в условиях рынка (СПб 2007, 2010-2012), Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, плиты, деревянные дома заводского изготовления, столярно-строительные изделия (СПб, 2009), Леса России в XXI веке (СПб, 2009-2010), Молодые ученые
- промышленности Северо-Западного региона (СПб, 2009), Молодые иссле
дователи регионам (Вологда, 2009), Современные проблемы механической
технологии древесины (СПб, 2010), Современные проблемы переработки
древесины (СПб, 2011-2015), Физика древесины. Древесные материалы и из
делия. Ландшафтный и промышленный дизайн. Проекты молодых ученых
(СПб, 2013), Актуальные направления научных исследований XXI века: тео
рия и практика (Воронеж, 2014); на международных конференциях: «Пер
вичная обработка древесины: Лесопиление и сушка пиломатериалов. Состоя
ние и перспективы развития» (СПб, 2007); IAWS Plenary meeting and confer
ence (Saint-Petersburg – Moscow, 2009); Holz und Bau (Biel, 2012),
«SPRUNGBRETT» (Scopje, 2014), «SPRUNGBRETT» (Biel, 2014-2015).
Практические рекомендации диссертации широко освещены в известных отраслевых журналах: Лес и бизнес (2007); Леспроминформ (2008-2013).
Работа выполнялась в рамках НИР: «Исследование строения древесины на микроуровне и ее физических свойств» в рамках тематического плана НИР Рособразования / Отчет по теме № темы: 5.2664.2011 № ГР 01201255483
- СПб.:СПбГЛТУ, 2012. – 56 с., а также в рамках госбюджетной НИР «Ис
следование и разработка сценариев развития технологии и организации лесо-
пильно-деревообрабатывающих производств».
Публикации. По результатам исследований автором опубликовано 62 печатные работы, в том числе 2 монографии, 13 статей в ведущих рецензируемых журналах (из них одна статья индексируется SCOPUS), получено 2 патента на изобретение и 2 патента на полезные модели.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложений, стр. 252, рис. 146, табл. 35.
Изменчивость физико-механических свойств древесины
На территории Российской Федерации применяются методы оценки качества пиломатериалов, основанные на оценке размеров видимых пороков и дефектов на пластях и кромках пиломатериалов, а также их соотношения с размерами сортиментов, которые также стандартизованы без учета экспортных требований. Эти принципы заложены в ГОСТ 8486-86 «Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия», ГОСТ 26002-83 «Пиломатериалы хвойных пород северной сортировки, поставляемые для экспорта. Технические условия» и в скандинавских правилах сортировки Nordic Timber.
Определение сорта пиломатериалов в зависимости от видимых пороков существенно упрощает процесс их сортировки, но в то же время сорт не отражает реальную прочность древесины и конструкционных материалов. Более полное представление о прочности пиломатериалов можно получить путем проведения силовой сортировки, в процессе которой определяется модуль упругости каждой доски, а на его основании - ее физико-механические свойства. Несомненно, чем качественнее исходное сырье, тем выше качество получаемой продукции. Вместе с тем в РФ при использовании пиломатериалов в качестве строительных элементов деревянных зданий и сооружений, а также в качестве конструкционных материалов в соответствии с требованиями СП 64.13330.2011 (актуализированная редакция СНиП II-25-80) пиломатериалы подразделяются на три группы качества, определяемые по критерию расчетных сопротивлений для каждой группы конструкций при изгибе, сжатии, растяжении вдоль волокон и т. д. Также в этом документе к пиломатериалам предъявляются дополнительные требования: ширина годичных слоев в древесине элементов и слоев классов К26 и К24 должна быть не более 5 мм, а содержание в них поздней древесины - не менее 20%; в слоях клееных изгибаемых элементов классов К26 и К24 для крайней растянутой зоны (на 0,15 высоты сечения) и в цельнодеревянных элементах толщиной 60 мм и менее, работающих на ребро при изгибе или на растяжение, не допускается сердцевина.
Таким образом, имеет место явное несоответствие между оценками качественных характеристик пиломатериалов их производителями и потребителями.
Стандарты EN предусматривают два вида сортировки: визуальную и машинную, однако сфера применения визуальной сортировки ограничена выборкой пиломатериалов низших сортов, ценность которых невелика. Существующий норматив DIN EN 14081-1:2005 «Конструкции деревянные. Строительная древесина несущего назначения прямоугольного сечения, сортированная по прочности. Часть 1. Общие требования» допускает возможность визуальной сортировки, однако ее критерии также отличаются от принятых в России. Визуально пиломатериалы на основании размеров трещин и сучков на поверхности пиломатериалов, а также кривизны и величины годичного прироста, который не регулируется российскими ГОСТами, разделяют на две группы: ниже и выше класса С18 по EN 338-2009. По указанным принципам стандарт имеет сходство с британскими требованиями BS, также предполагающими визуальную оценку для разделения пиломатериалов на два класса: общие конструкционные пиломатериалы GS и специальные конструкционные пиломатериалы SS, - стандарт BS 4978:1996 «Хвойные пиломатериалы визуальной сортировки по прочности». Однако при этом стандарт на клееные элементы из древесины, без которых невозможно обойтись при проектировании и строительстве промышленных объектов: EN 1194 «Древесина клееная многослойная» - имеет прямое указание на осуществление контроля физико-механических показателей в соответствии с EN 338 или по результатам собственных испытаний, что также обесценивает пилопродукцию российского производства
Европейские принципы сортировки пиломатериалов, предназначенных для изготовления деревянных конструкций, основаны на стандарте EN 338-2009, который предусматривает разделение пиломатериалов на 12 классов для хвойных пород и 6 классов - для лиственных. При этом оценивается реальная несущая способность пиломатериалов без учета их внешнего вида, выполняемая методами силовой или акустической сортировки, а также методами рентгено- и томографии, исключающими субъективную оценку и повышающими достоверность за счет исключения влияния человеческого фактора.
Европейские правила сортировки учитывают изменчивость свойств древесины в широком диапазоне и могут применяться для пиломатериалов вне зависимости от геоклиматических условий роста деревьев. Тем самым исключается ситуация, когда при прочностных расчетах конструкции для определения реальной способности древесины закладываются справочные значения плотности, характерные для региона произрастания деревьев той или иной породы.
Для того чтобы соответствовать международным нормам идентификации, на отечественных предприятиях необходимо вводить новые методы сортировки досок и клееных древесных материалов, позволяющие оценивать их физико-механические свойства. Методы и средства сортировки не должны быть привязаны к отдельным стандартам, а основываться на физических свойствах древесины. Такой подход позволит разделять пиломатериалы на любые группы качества по задаваемым требованиям.
Влияние видимых пороков древесины и дефектов обработки на поверхности пиломатериалов на их реальную несущую способность в разное время рассматривалось многими исследователями. Полученные ими данные не подтверждают высокую степень этого влияния. Так, например, по данным Е. И. Савкова /131, 132/, В. Н. Волынского /33/, и других российских специалистов, реальная прочность пиломатериалов третьего и четвертого сорта по ГОСТ 8486-86 может быть выше прочности пиломатериалов нулевого и первого сортов. При этом коэффициент вариации при проведении испытаний может достигать 40% и более, что не позволяет гарантировать реальные физико-механические свойства пиломатериалов на основании видимых пороков древесины.
Н. Л. Леонтьев определил /90, 91/, что степень влияния сучков на прочность древесины зависит от их относительных размеров, разновидности и вида действия сил. Испытаниями установлено, что в каждой группе качества есть заготовки всех категорий прочности /77, 91/.
Определено, что с увеличением относительного размера сучка предел прочности при статическом изгибе и сжатии вдоль волокон у досок, брусков и брусьев резко падает. По данным других исследователей, а также ЦНИИМОД /92, 125, 135/ влияние размеров сучка оказывает влияние на прочность древесины, что отражено в табл. 1.6. Влияние наклона волокон на данные оценки прочности подтверждаются известными и признанными результатами исследований Н.Л. Леонтьева /92/ и Л.М. Перелыгина /110/, касающимися как природного, так и искусственного косослоя.
Исследование вариативности физико-механических свойств и размеров круглых лесоматериалов
Представленные на рис. 2.1, 2.13 значения плотности древесины в различных частях ствола сосны и ели объясняют снижение степени корреляции R2 для уравнений 2.1, 2.2 до 0,67 и 0,7, поскольку на высоте 1,3 м, где осуществляется отбор проб для проведения испытаний, находится древесина разной плотности (3 и 4 зоны). Плотность древесины ели увеличивается от сердцевины к заболони, а у древесины сосны снижается от комля к вершине, однако эти изменения неравномерны. Поскольку плотность древесины ели и сосны изменяется в широком диапазоне от 350 до 500 и от 400 до 600 кг/м3 при 12% влажности соответственно, уменьшение доли любой из зон оказывает значительное влияние на базисную плотность, вследствие чего становится возможным реализация разработанного метода для оценки качества древостоев на практике.
Анализируя рис. 2.1, 2.11-2.13, можно сделать вывод о необходимости принимать решение о длине и положении в стволе сортиментов, формируемых из хлыста, основываясь на знаниях о физических свойствах древесины в каждой единице объема. Это позволит разделять круглые лесоматериалы в соответствии с требованиями, предъявляемыми к готовой продукции.
Статистический анализ полученных зависимостей (2.1) и (2.2) указывает на среднюю и высокую степень взаимосвязи между исследованными переменными, что позволяет судить о целесообразности использования разработанного метода при качественной оценке назначения лесного фонда.
Внедрение предлагаемого метода в практику лесных хозяйств путем введения индексов лесосек, указывающих, помимо известных таксационных параметров на качественные характеристики растущих деревьев, позволит определить их пригодность для изготовления разных видов продукции /48, 49, 108, 113, 139/.
Так, например, исходя из требований к плотности конструкционных материалов длиной 6 м - не менее 505 кг/м3 при W = 12%, могут быть определены требования к заготавливаемой древесине, удовлетворяющей этому условию. Исходя из рис. 2.11 и формулы (2.1) для их изготовления необходимо использование древесины сосны, имеющей базисную плотность на высоте 1,3 м Рб 455 кг/м3. Лесосекам, на которых произрастает древесина с такими свойствами, необходимо присваивать высший индекс и отправлять комлевые части таких бревен на предприятия по выпуску конструкционных пиломатериалов. Подобным образом могут быть присвоены индексы для каждого вида продукции при формализации требований к плотности древесины. В процессах изготовления пиломатериалов индексы лесосеки целесообразно принять от 1 - наилучшего, до 4, в соответствии с классификацией пиломатериалов на назначению, рис. 1.3, что может быть дополнено разделением по назначению частей хлыстов.
При известном количестве потребителей и их требованиях, а также анализа расчетной лесосеки, разделение древесины по потребителям может быть выполнено с применением теории индексов /4, 73-75, 97/ с помощью решения задачи линейного программирования симплекс методом.
Основными элементами строения хвойных пород древесины являются трахеиды – прозенхимные клетки с отмершим протопластом, выполняющие как проводящую, так и механическую функции. В ранней зоне годичного слоя, образующегося в начале вегетационного периода, расположены ранние трахеиды с относительно тонкими стенками, а в поздней зоне - поздние тра-хеиды.
Проведенные исследования позволили определить плотность сосны в свежесрубленном состоянии, которая варьирует в условиях Ленинградской области в диапазоне от 440 до 640 кг/м3. Ранее /181/, при обследовании деревообрабатывающих предприятий, было установлено, что плотность сосновых пиломатериалов при влажности 10-12% изменяется в еще больших пределах от 350 до 650 кг/м3.
Приведенные результаты не могут быть объяснены различием во влаго-содержании древесины по высоте и диаметру ствола дерева и требуют детальных исследований макро- и микростроения древесины (размеров годичных слоев и их ранней и поздней зон, размеров полостей трахеид и толщины их стенок).
Выполненные исследования позволили определить размерные характеристики трахеид ранней и поздней зоны свежесрубленной древесины сосны Ленинградской области, которые согласуются с результатами других иссле 80 дователей и подтверждают тезис о изменчивости свойств древесины не только в рамках одной породы, но и по объему ствола сортимента, рис. 2.14-2.15, табл. 2.1-2.2.
В результате обработки экспериментальных данных установлено, что размеры полостей трахеид ранней и поздней зоны древесины ели также обладают высокой изменчивостью. Отличие составляет 58-132% в ранней зоне и 57-183% в поздней, в то же время средние размеры полостей трахеид в ранней зоне больше чем в поздней в 1,87 раза. Линейным размерам трахеид свойственна высокая вариативность, которая может объясняться неравномерной скоростью роста древесины в высоту и ширину, а также различиями в климатических условиях роста, подвер 83 женных ежегодному изменению. Размерные характеристики трахеид оказывают влияние на плотность и прочность древесины, а также на глубину проникновения жидких адгезивов, которая определяется, для большинства связующих, размерами открытых полостей /160/. Высокая вариативность показателей не позволяет достоверно прогнозировать распределение их размеров по объему круглых лесоматериалов. Такое распределение определяет возможность использования данных факторов только для получения общей оценочной характеристики древостоев и круглых лесоматериалов, без возможности прогнозирования свойств пиломатериалов, применительно к их расположению в объеме круглых лесоматериалов.
Практической значимостью обладает оценка содержания поздней древесины и ширины годичного слоя. Однако соотношение ранней и поздней древесины в стволе дерева у разных пород древесины различно и зависит не только от породы древесины, но и геоклиматических условий ее роста. По данным /153/, содержание поздней древесины не является постоянным и в одном стволе дерева. Оно уменьшается в направлении от комля к вершине и параболически изменяется по направлению от сердцевины к коре, что определяет высокую вариативность плотности древесины в объеме лесоматериалов.
Исходя из анализа литературных источников и собственных исследований, можно утверждать, что при создании прогностических и оценочных моделей распределения плотности, в объеме круглых лесоматериалов целесообразно использовать такие параметры макроструктуры как: количество годичных слоев в 1 см радиуса ствола, размеры годичного слоя и соотношение размеров ранней и поздней древесины.
Результаты исследований ширины годичного слоя в объеме хлыстов сосны и ели приведены на рис. 2.18 и 2.19. Анализ полученных результатов показывает, что ширина годичных слоев древесины хвойных пород увеличивается от заболони к сердцевине.
Методика исследования микро- и макростроения древесины
Несмотря на высокую информативность результатов исследований с применением компьютерной томографии, они не позволяют непосредственно определить прочность пиломатериалов исходя только из строения древесины (ширины годичного слоя и содержания в ней поздней древесины). Метод дает возможность определить общую плотность сортимента, то есть совокупную плотность древесины с содержащейся в ней влагой, которая неравномерно распределяется по объему ствола дерева и содержится преимущественно в его за-болонной части. Для оценки распределения плотности древесины по объему сортимента при требуемом уровне влажности следует последовательно использовать методики оценки внутреннего строения древесины с использованием МРТ и КТ, что позволит определить физические свойства при эксплуатационной влажности. Полученная информация позволяет оптимизировать схемы раскроя круглых лесоматериалов в соответствии с требуемой плотностью, местоположением сучков в сортименте и направлением волокон древесины.
Использование средств томографического анализа позволяет определить внутреннее строение круглых лесоматериалов перед распиловкой и выделить зоны древесины с разными физическими свойствами, на основании чего могут быть определены схемы распиловки бревен с расположением пиломатериалов в разных зонах, что позволяет повысить качественный выход продукции.
Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы. Применение компьютерной томографии дает возможность устанавливать: Прямо: - размеры и форму сортиментов (пиловочных бревен, чураков); - вид, форму, размеры и месторасположение основных пороков (сучков и трещин); - размеры ядровой (спелодревесной) и заболонной части сортимента (пиловочного бревна, пиломатериала); - размеры и форму годичного слоя и его составных частей (ранней и поздней зоны); 149 Косвенно: - распределение плотности (суммарной древесинного вещества и влаги) в объеме сортимента (пиловочника, пиломатериала, заготовки) на основании измерения и компьютерной обработки разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности зонами древесины в сортименте; - породу древесины на основании измерения и компьютерной обработки по специальным программам размеров, формы, места расположения основных макроэлементов дерева; - сортность сортиментов на основании измерения и компьютерной обра ботки по специальным программам размеров, формы и месторасположения сортообразующих пороков; Магнитно-резонансная томография обладает практически всеми возможностями, что и компьютерная томография, но в отличие от последней этим методом можно косвенно определить влажность древесины, а не её плотность.
Разработанные методы МРТ и КТ позволяют осуществлять сортировку пиловочника по критериям спецификационного выхода продукции, намеченной к изготовлению. Схема раскроя бревна на пиломатериалы должна составляться на основании формы ствола и внутреннего строения лесоматериалов, определенных методами томографии.
Свойства пиломатериалов зависят от физических свойств круглых лесоматериалов и могут быть описаны с помощью разработанных математических моделей 2.10-2.17. Однако, определенная в разделе 2 высокая вариативность свойств, обусловленная различиями в строении древесины на микро- и макроуровне, не позволяет осуществлять изготовление пиломатериалов с гарантированно определенными свойствами. Внедрение полученных моделей способно повысить выход пиломатериалов с требуемыми свойствами, а также исключить из технологического процесса древесину с заведомо низкими свойствами.
Таким образом, пиломатериалы после их выработки должны проходить дополнительную оценку свойств, вид которой обусловлен требованиями к конечной продукции, в первую очередь к клееным материалам из цельной древесины. Следующим этапом необходима разработка методов и логистических схем контроля, как пиломатериалов, так и готовой продукции, обладающих возможностью обратной связи с участком сортировки круглых лесоматериалов.
В соответствии с разработанной классификацией пиломатериалов по назначению (рис. 1.3) и необходимостью учета предъявляемых к ним дополнительных требований, оценке подлежат следующие их свойства: Нормы содержания пороков, а также плотность древесины определяются в зависимости от вида готовой продукции, что нормируется стандартами и ТУ. Задача лесопильных предприятий заключается в производстве пиломатериалов с установленными свойствами, для чего необходимо сортировать круглые лесоматериалы по физическим свойствам, а также контролировать параметры пиломатериалов.
Выполнение операции сортировки пиломатериалов невозможно без объективной оценки их размеров, наличия на поверхности пороков древесины, и определения их внешних качественных характеристик, рис. 5.1. Для получения этих данных может быть использовано фотометрическое и лазерное сканирование, которое позволяет повысить точность оценки размерных характеристик предметов труда с одновременным повышением скорости ее выполнения. Совместное использование фотометрических и лазерных установок, рис. 5.1, позволяет осуществлять размерно-качественную оценку материалов, основанную на определении структуры поверхности, направления волокон древесины на торцах, определять вид, количество и размеры дефектов на видимых поверхностях, что практически полностью отвечает требованиям существующих стандартов РФ для материалов из цельной древесины.
Исследование влияния плотности древесины на ее прочность и скорость прохождения акустических колебаний
Число карманов-накопителей, шт., в данных условиях на линии сортировки бревен определяется по формуле: jVкарм = «гр + Ярез + отб + Wкон , (6.22) где п - количество сортировочных групп бревен; п - количество резервных карманов, принимаемое в размере 15 - 20 % от числа сортировочных групп бревен в зависимости от организации и режимов работы оборудования, осуществляющего уборку из накопителей и их транспортировку на склад рассортированного сырья; нотб - накопители, в которые направляется низкокачественное сырье, например, для выработки технологической щепы; пкон -конечный карман, куда попадают бревна, в процессе сортировки которых по тем или иным причинам произошли сбои в системах их замера и адресации.
При сортировке, например, бревен двух пород число карманов накопителей практически удваивается.
Предложенная методика позволяет определить размеры складов рассортированного и не рассортированного сырья, режимы работы линии сортировки бревен, а также определить количество карманов-накопителей сортировочной линии. Полученные данные позволят оценить затраты от увеличения трудоемкости сортировки круглых лесоматериалов по методике, приведенной в пп. 6.2.
Оценка экономической эффективности применения томографии на участке сортировки круглых лесоматериалов
В настоящее время цена на пиломатериалы из сосны и ели, не рассортированные по физическим свойствам, влажностью 22% составляет около 9000 руб./м3, в отличие от конструкционных пиломатериалов, стоимостью около 11500 руб./м3. Основная доля пиломатериалов вырабатывается на крупных и средних лесопильных предприятиях.
Стоимость компьютерного томографа, который может быть использован на участке сортировки пиловочных бревен, составляет около 110 млн. руб.
Среднегодовые затраты на эксплуатацию с учетом затрат на электроэнергию, амортизацию (при 7 летнем периоде эксплуатации), и заработную плату обслуживающего персонала могут составлять около 25 млн. руб.
При рассмотрении среднестатистического предприятия с объемом выпуска пиломатериалов 70 тыс. м3 ежегодно, такое предприятие потребляет около 140000 м3 круглых лесоматериалов, стоимостью 3000 руб./м3. Дополнительные затраты на сырье, с учетом стоимости оценки методом томографии составят: 5 = 25000000 =178 3 (623) 140000
При выбраковке всего 20% сырья с несоответствующими характеристиками, из которых невозможно изготовить конструкционные пиломатериалы вследствие их строения (большое количество сучков, недопустимый наклон волокон и т.д.) и плотности предприятие сможет исключить из переработки круглые лесоматериалы на сумму Э = 140000 0,2 3000 = 84 млн. руб. (6.24)
Эффект от внедрения методики томографии может быть определен исходя из разницы в стоимости изготовления из выработанных конструкционных пиломатериалов обшивочных, имеющих меньшую стоимость. С учетом снижения линейных размеров на 30% и затрат на строгание и обрезку в размере 900 руб./м3, (суммарные потери около 9000 х 0,3 + 900 = 3600 руб./м3), в данных условиях годовой эффект составит Гэ = 70000 0,1 3600 = 25,2 млн. руб. При этом, при среднем объеме выпуска пиломатериалов 70 тыс. м3 в год себестоимость 1 м3 пиломатериалов увеличиться на 350 руб., что соизмеримо со стоимостью проведения операции по силовой сортировке пиломатериалов, себестоимость которой составляет порядка 700 руб./м3.
Дополнительно предприятия смогут сэкономить на установке измерительного оборудования на участке сортировки круглых лесоматериалов, поскольку при помощи томографа можно измерять и размерные характеристики пиловочника для расчета с поставщиками.
Еще один источник прибыли предприятия – снижение затрат на тепловую энергию, затрачиваемую при сушке древесины, поскольку пиломатериалы будут разделены по начальной влажности.
Рост прибыли предприятия при внедрении предлагаемых методик оценки физико-механических свойств круглых лесоматериалов и оценки свойств пиломатериалов возможен за счет увеличения выхода конструкционных пиломатериалов на 10-15%, цена на которые в среднем на 25-30% выше, чем на пиломатериалы общего назначения.
В настоящее время отбракованные пиломатериалы продаются либо по сниженным ценам, либо перерабатываются в технологическую щепу.
Таким образом, установка компьютерного томографа на среднем лесопильном предприятии с объемом производства 70 тыс. м3 пиломатериалов ежегодно позволит: - осуществлять сортировку бревен по размерно-качественным характеристикам при себестоимости операции 178,5 руб./м3; - высвободить 84 млн. руб. оборотных средств, за счет исключения из технологического процесса бревен с низкими физико-механическими характеристиками; - без учета дополнительной экономии, зависящей от портфеля заказов предприятия и конечной влажности древесины, срок окупаемости при худшем варианте составит 7 лет, при выпуске большого ассортимента продукции и использования данных сканирования при составлении схем раскроя сырья - сократиться до 2-3 лет.