Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Характеристика района и объектов исследования 11
1.1.1. Характеристика района исследования 11
1.2. Оценочные показатели физико-механических свойств и качества древесины 18
1.3. Плотность древесины как характеристика ее прочностных свойств и технологических возможностей 22
1.4. Влияние условий произрастания на показатели свойств древесины 26
1.5. Методы и средства оценки качества древесного сырья 31
1.5.1.Оценка макростроения древесины 31
1.5.2. Оценка плотности древесины 33
1.5.3. Оценка прочностных свойств древесины стандартными методами 36
1.5.4. Современное состояние неразрушающих методов контроля и оценки качества древесины 39
1.6 Выводы и характеристика целевых исследований 44
2. Методика исследования, материалы и оборудование 47
2.1. Методика исследования качественных показателей в полевых условиях 47
2.1.1. Методика исследования морфометрических показателей древесины лиственницы даурской 47
2.1.2. Отбор образцов и проб для испытаний 50
2.1.3. Программа проведения испытаний 51
2.2. Методика исследования физико-механических свойств древесины 56
2.2.1. Методика определения качественных показателей древесины 56
2.2.2. Методика определения механических показателей 58
2.2.3 Статистическая обработка данных 59
2.3. Методика исследования физико-механических свойств древесины на эксплуатируемых объектах 62
выводы по второй главе 63
3. Разработка метода оценки качества древесины способом ориентированного сверления
3.1. Получения и анализа показателей сопротивления древесины сверлению 66
3.2. Определение погрешности замера данных, приведение к истинным значениям и установления показателей условной плотности древесины 73
3.3. Методы графического отображения распределения плотности 76
3.3.1. Построение распределения базисной плотности по результатам замеров методом ориентированного сверления 77
3.4. Разработка последовательности этапов оценки качества древесины 82
Выводы по третьей главе 86
4. Исследование качественных показателей древесины лиственницы даурской 88
4.1. Особенности строения древесного ствола лиственницы даурской 88
4.2. Экспериментальное исследование показателей макроструктуры древесины .91
4.3. Экспериментальное исследование показателей плотности древесины 95
4.4. Анализ зависимости механических свойств от параметров макроструктуры и плотности древесины 139
4.4.1. Влияние плотности древесины на ее механические свойства 139
4.4.2. Влияние плотности, ширины годичных слоев и содержания поздней древесины на механические свойства 141
4.5. Исследование зависимости механических свойств древесины лиственницы в зависимости от срока эксплуатации 148
4.6. Оценка экономической эффективности предложенного метода оценки качества древесины 157
Выводы по четвертой главе 160
Основные выводы и рекомендации 162
Список использованной литературы
- Плотность древесины как характеристика ее прочностных свойств и технологических возможностей
- Методика исследования морфометрических показателей древесины лиственницы даурской
- Определение погрешности замера данных, приведение к истинным значениям и установления показателей условной плотности древесины
- Экспериментальное исследование показателей плотности древесины
Введение к работе
Актуальность темы
Современное развитие деревообрабатывающей отрасли требует новых технических и технологических решений в сфере проектирования и производства конструкционных материалов на основе древесины. В связи с этим особое внимание должно быть обращено на качество пиломатериалов, на оценку физико-механических показателей и технических возможностей древесины как конструкционного материала и эффективность потребления ле-сосырьевых ресурсов в производстве.
Оценка качества древесины по результатам стандартных лабораторных испытаний образцов на сжатие, изгиб, скалывание осложняется значительными затратами времени на подготовку стандартных образцов, обязательным их механическим разрушением на специальном оборудовании, расчетами показателей по предельным нагрузкам и деформациям.
Актуальными становятся средства и методы оперативного получения данных о состоянии древесины, ее анатомическом строении и основных физико-механических показателях. Для этого могут быть применены современные приборы, работающие по принципу акустического или механического сканирования материала. Однако в настоящее время научные работы в этом направлении единичны и требуют технических решений и достоверных результатов исследований, которые позволили бы обеспечить рациональное использование древесины именно с учетом высокоточной и обширной диагностики строения, состояния и качества. Поэтому задача разработки методов и средств оперативного инструментального исследования анатомической структуры и плотности древесины является не только актуальной, но и перспективной.
Цель работы
Повышение эффективности оценки качества древесины на основе определения плотности и параметров ее макростроения методом ориентированного сверления.
Объектом исследования - древесина лиственницы даурской (Larix dahurica Laws.), произрастающей на территории Республики Саха (Якутия), представленная в виде технологических сортиментов круглых лесоматериалов, а также в заготовках, пиломатериалах и деревянных строительных конструкциях.
Предметами исследований являются анатомическая структура и физико-механические показатели древесины лиственницы даурской; процессы и параметры определения плотности древесины методом ориентированного сверления.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи теоретических и экспериментальных исследований:
изучить показатели макростроения, плотности и механических свойств древесины лиственницы даурской и взаимосвязи между ними;
оценить зависимости между показателями механических свойств древесины, полученными по стандартной методике испытаний, и экспериментальными данными свойств древесины, полученными методом ориентированного сверления прибором «Resistograph-4453s» производства фирмы «Rinntech», Германия (далее по тексту «Резисто-граф»);
разработать метод определения показателя плотности древесины лиственницы даурской, способом ориентированного сверления древесного материала;
выявить соотношения между параметрами макростроения древесины, ее плотности и прочности на основе идентификации характеристик процесса внедрения сверла-индентора в материал;
определить математическую модель распределения плотности древесины в радиальном и осевом направлениях ствола дерева на основе использования текущих показателей прибора и характеристики сопротивления материала прохождению сверла-индентора через его массив.
Научная новизна работы:
- получены детализированные данные распределения плотности по сечению и высо
те ствола древесины лиственницы даурской, произрастающей в суровых климатических
условиях Якутии и представлена их графическая иллюстрация в системе цилиндрических координат;
разработан алгоритм прогнозирования ряда физико-механических показателей и структуры древесины на основе определения плотности материала методом сверления;
установлено, что прочностные характеристики древесины лиственницы предопределяются плотностью поздней древесины;
установлено, что уравнения изменений средней базисной плотности и диаметра по высоте ствола адекватно описываются уравнением регрессии, представленной в виде полинома третьей степени.
Основные научные положения, выносимые на защиту
результаты математического моделирования процессов структурообразования и свойств лиственницы даурской в зависимости от ее высоты и диаметра;
зависимости прочности древесины от параметров макростроения, соотношения массы ранней и поздней древесины, а также от величины локальной плотности и ширины годичных колец;
данные натурных обследований круглых сортиментов, элементов линий электропередач и деревянных домов с использованием разработанного метода ориентированного сверления.
Теоретические, методологические и информационные основы исследования Исследования базируются на использовании высокоточной аппаратуры и специализированного компьютерного сопровождения процесса контроля величины сопротивления древесины, внедрению в нее сверла-индентора, включенного в состав прибора «Резисто-граф»; применении системного подхода и методики научных экспериментальных работ для выявления статистически достоверных зависимостей и соотношений параметров состояния, структуры и физико-механических свойств древесины. Информационную базу исследования составляют:
поисковые научно-исследовательские работы в области диагностики состояния древесных материалов, в том числе разработки фирмы «Риннтех» (Германия), по созданию и применению средств дефектоскопии дерева;
нормативно-технические документации по оценке качества и техническим испытаниям древесины и древесных материалов;
зарубежные и отечественные периодические издания, результаты научно-исследовательских работ автора.
Основные научные и практические результаты, полученные лично автором Научные:
- определены на основе резистограмм показатели плотности древесины в границах
годичных слоев и по всей зоне поперечного сечения ствола дерева;
установлены уравнения связи между показаниями прибора, контролирующего сопротивление древесины сверлению, и ее физико-механическими показателями в зависимости от зоны выборки сортимента из ствола дерева;
получено экспериментальное и практическое подтверждение эффективности и достоверности оценки фактического состояния древесины в конструкциях, эксплуатируемых на строительных и иных объектах (линиях опор ЛЭП, несущих конструкций мостов и т.п.).
выявлены зависимости пределов прочности древесины от параметров макростроения, соотношения массы ранней и поздней древесины, а также от величины локальной плотности и ширины годичных слоев;
разработан метод определения древесной массы сырьевого сортимента, представляющей собой технологический ресурс для изготовления различных видов продукции, на основе ее расчета по геометрическим параметрам сортиментной заготовки и интегрированной плотности древесины.
Практические:
- разработано и апробировано методическое руководство к определению плотности
древесины методом ориентированного сверления прибором «Резистограф» на предприятии
ООО «АЛМАС» в г. Якутске.
Реализация результатов исследования
Разработан и апробирован метод определения плотности и параметров макростроения древесины на примере лиственницы даурской, произрастающей в Центральной Якутии, а также проведена диагностика состояния и оценка механической надежности строительных элементов и несущих конструкций на объектах предприятия ООО «АЛМАС».
Результаты НИОКР используются в учебном процессе по дисциплинам «Физика древесины», «Древесиноведение и лесное товароведение» по специальности 250403 - Технология деревообработки, а также дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс» по специальности 270102 - «Промышленное и гражданское строительство» кафедры технологии деревообработки и деревянных конструкций Инженерно-технического института СВФУ им. М.К. Аммосова.
Апробация результатов работы
Основные результаты и теоретические положения диссертационной работы были доложены на следующих конференциях и симпозиумах: «Лаврентьевские чтения» (г. Якутск, 2001, 2005 гг.); «Актуальные проблемы строительного и жилищно-коммунального комплексов РС(Я)» (г. Якутск, 2004 г.); «Строение, свойства и качество древесины-2004» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.); «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях» (г. Якутск, 2009 г.); «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (г. Якутск, 2009, 2011 гг.); Международном симпозиуме по развитию холодных регионов (г. Якутск, 2010 г.); «Дендро 2012: перспективы применения древесно-кольцевой информации для целей охраны, воспроизводства и рационального использования древесной растительности» (г. Москва, 2012 г.); «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» (г. Екатеринбург, 2013, 2014 гг.).
НИР по теме диссертационного исследования проводились в рамках федеральной целевой программы «Интеграция» 2003 г., гранта ректора ЯГУ 2003 г., гранта ректора СВФУ 2011 г., программы развития СВФУ на 2010 - 2014 гг., а также хоздоговорной НИР «Исследование состояний воздушных ЛЭП ВЛ-110 кВ» по заказу Центральных электрических сетей АК «Якутскэнерго».
Публикации. По результатам проведенного исследования опубликовано 14 научных статей, в т.ч. 4 в журналах, рекомендованных ВАК.
Плотность древесины как характеристика ее прочностных свойств и технологических возможностей
Отмеченные выше особенности циркуляционных процессов в атмосфере обусловливают крайнюю суровость и резкую континентальность климата на большей части территории республики. Холодная зима с незначительными осадками и малая высота снежного покрова способствуют сильному промерзанию почвы. Так, Якутия расположена в пределах области сплошного распространения многолетнемерзлых грунтов, где мощность мерзлотных пород достигают от 200 до 600 м.
Суровые климатические условия во взаимодействии с другими физико-географическими факторами обусловили структуру вечномерзлотных грунтов, что и определяет разнообразие и характер растительного покрова, в том числе и лесной растительности. Комплекс перечисленных условий находит отражение в характере и направлении почвообразовательных процессов. Равнинным частям Якутии свойственны специфические мерзлотно-таежные и палевые почвы, не имеющие аналогов в других зонах страны, а горным — горно-таежно-мерзлотные [118]. Леса, произрастающие на вечномерзлотных грунтах, характеризуются упрощенным составом и структурой. Древостой обычно представлены одной древесной породой, реже - двумя-тремя. Продуктивность лесных экосистем низкая, запасы древесины даже в возрасте 140...200 лет редко превышают 150...200 м3/га [144].
При оценке лесных ресурсов по схожести природно-экономических условий СИ. Москвитиным [93] территория Якутии была разделена следующие лесоэкономические районы: Представленное разделение территории Якутии на лесоэкономические районы рассматриваются нами как наиболее приемлемыми. Так при анализе значений обширных перечней показателей физико-механических свойств древесины лиственницы, произрастающих в разных регионах Российской федерации и бывшего СССР приведенные в работе Ю.Р. Бокщанина [9], выявляются очевидные факты существенных различий в технических свойствах древесины в зависимости от районов произрастания. Эти различия достигают 80% по пределу прочности при изгибе, 30-35% - по сопротивлению скалыванию, около 30% - по модулю упругости, до 160% - по числу годовых слоев в 1 см и т.д. [141,152,164,165]. Поэтому детальное обследования состояния древесины лиственницы по выделенным районам Республики РС(Я) позволит разработать не только методику оценки состояния и технических возможностей лиственницы даурской, но также составить специализированные карты распределения лесных массивов с сырьевыми ресурсами, согласно их наиболее эффективному использованию и рациональному применению древесины в конкретных конструкциях.
Характеристика и оценка состояния лесного фонда Якутии Занятость лесами территории Якутии составляет 47,4%, причем лесистость разных регионов различна. В частности, лесами занято в северных районах - 32% площади территории, в Вилюйском - 78%, в центральной и южной частях республики - соответственно 77%, и 93%. Общая площадь лесов по данным учета лесного фонда от 1 января 2000 г. составляет 254,8 млн. га, в том числе покрытая лесом - 143,7 млн га.
Общая площадь земель лесного фонда на территории Республики Саха (Якутия) около 255 млн га, что составляет 81% от общей площади республики. Покрытые лесом площади составляют 157 млн гектар. Леса, расположенные на землях лесного фонда Якутии в соответствии с экономическими, экологическими значениями по целевым направлениям подразделяются на следующие группы:
В 2011 году фактический объем заготовки древесины по всем видам рубок составил 1769,9 тыс. куб. м, в том числе по рубкам спелых и перестойных насаждений - 957,6 тыс. куб. м. По состоянию на 01 января 2012 года общий корневой запас древесины оценивается в 8,9 млрд м3, а разрешенных к рубке - 5,3 млрд куб. м (62%). Из них доступных для эксплуатации - 2,1 млрд куб. м [65]. Средний запас древесины на 1 га составляет 64 м3, в спелых и перестойных насаждениях - 71 м3, в том числе по породам: лиственница - 87 м3, сосна - 132 м3, ель - 139 м3, кедр - 188 м3, береза - 102 м3. Общий прирост древесины в год составляет 73,7 млн. куб. м или 0,8% от общего запаса, с одного гектара - 0,59 м3 [137].
Высоколиквидные породы древесины (лиственница и сосна) занимают 83,5% территории региона и 61,4% от общей их площади в Дальневосточном федеральном округе. На долю мягколиственных пород приходится 6,5% покрытой лесом площади [65]. Без экологического ущерба природе ежегодно можно заготавливать более 30 млн. куб. м лесных ресурсов. Однако, на протяжении последних пяти лет освоение расчетной лесосеки не превышает 6% [65].
Результаты изучения ареала распространения и исследования свойств древесины лиственницы приводятся в научных трудах Ю.Р. Бокщанина, А.П. Исаева, Н.Д. Седельника, И.Ф. Шурдука, Г. Крюссмана, Л.К. Позднякова и др. [55,60,66,107,108,109,110,148,156,162].
В работе Л.К. Позднякова представлены данные, что на территории России произрастают 14 видов лиственницы, из которых наибольшее хозяйственное значение имеют лиственница даурская (Гмелина) - L. gmelinii (Rupr.) Kazaneva, или L. dahurica Elw. et Henly, лиственница сибирская - L. sibirica Ledeb. и лиственница Сукачева - L. Sukaczewii. На Дальнем Востоке из перечисленных видов произрастает лиственница даурская. Северная граница области распространения лиственницы даурской проходит от Анадырского залива к устьям рек Колымы (здесь она доходит до 692Г с.ш., Стариков, 1962), Индигирки, Яны, Лены и далее к низовьям реки Хатанги, где она достигает почти 7240 с.ш. (Крючков, 1972). Схематическая карта Схематическая карта ареалов лиственниц 1- Сукачева, 2 - сибирская, 3 - Чекановская, 4а - даурская, западная раса, 46 - даурская, восточная раса, 5 - дальневосточные виды Отмечается, что причиной преобладания спелых и перестойных деревьев является малодоступность лесных массивов, ограниченные возможности транспортировки древесины, недостаточная развитость инфраструктуры деревопереработки в регионе, так для освоения доступно не более 10 - 15% лиственничных лесов [144]. Вследствие этого лиственница используется в сравнительно небольших объемах и только для внутреннего потребления.
Данная проблема вызвала необходимость решения задач рационального и наиболее эффективного использования древесины в соответствии с ее свойствами, техническим состоянием и технологическими возможностями. На основе точных и оперативных оценок физико -механических показателей древесины и совершенствования методов учета, может быть обеспечено внедрение научно обоснованных путей повышения качества древесного сырья, что является главным критерием рентабельности деревообрабатывающей промышленности в республике.
Методика исследования морфометрических показателей древесины лиственницы даурской
Испытания образцов древесины лиственницы даурской на статический изгиб, на сжатие вдоль, поперек волокон проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 16483.10-73 [37], ГОСТ 16483.11-72 [47] и ГОСТ 16483.3-84 [40]. Количество образцов для испытаний на сжатие вдоль волокон - 496 шт., на сжатие поперек волокон - 468 шт., на статический изгиб - 298 шт. Изготовление образцов проведено на высокоточном столярном станке в форме прямоугольной призмы основанием 20x20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм, согласно ГОСТ 16483.10-85 [37], ГОСТ 16483.11-72 [47] и длиной вдоль волокон 300 мм согласно ГОСТ 16483.3-84 [40]. Размеры образцов контролировались при помощи штангенциркуля с заданной точностью 0.01 мм. Изготовленные образцы были подвергнуты отбраковке, при этом из общего количества выделялись образцы однородного строения, с годичными слоями на торцовых поверхностях параллельными одной паре противоположных граней и перпендикулярными другой, с направлениями волокон, совпадающими с продольной осью образца, что позволило получить показатели свойств древесины как ортотропного материала.
Нагружение образца в испытательном прессе производилось равномерно с постоянной скоростью. При этом разрушение образца происходило через (1-1,5) мин после начала нагружения. Максимальная нагрузка определялась с погрешностью не более 1%. После испытаний определялась влажность образцов в соответствии с ГОСТ 16483.7-71 [42]. Пробой для определения влажности являлся весь образец. Количество испытываемых на влажность образцов соответствовало ГОСТ 16483.0-89 [36]. Предел прочности древесины на сжатие вдоль и поперек волокон (aw, кН/см ) определяются соответственно по формуле (2.3) или (2.4).
Показатели, характеризующие любое физико-механическое свойство древесины, отличаются большой изменчивостью. Результаты их измерений, полученные при проведении серии испытаний, оказываются различными. Исчерпывающее представление о данных показателях можно было бы получить по результатам испытаний бесконечно большого числа образцов. Все множество данных, полученных при таких испытаниях, называется генеральной совокупностью и эту статистическую совокупность характеризует ряд параметров.
Генеральное среднее X, т.е. среднее арифметическое по всему множеству значений, есть основной параметр совокупности. Абсолютную величину разброса единичных результатов наблюдений вокруг среднего значения характеризуют генеральная дисперсия S2 и генеральное среднее квадратическое отклонение о . Генеральный вариационный коэффициент v выражает в относительных величинах изменчивость единичных результатов по сравнению со средним значением. Экспериментальным путем точно определить эти параметры не представляется возможным, а лишь приближенно оценить их, используя результаты наблюдений, составляющих определенную часть генеральной совокупности - выборку. Таким образом, при изучении физико-механических свойств древесины показатели ее свойств принято характеризовать средними величинами. Чем больше объем выборки, т.е. чем больше число наблюдений проводится, тем точнее их оценка, т.к.
Основные требования, предъявляемые к деревянным конструкциям и древесине, регламентируются в следующих нормативных документах: ГОСТ 2695-83; ГОСТ 8486-86; ГОСТ 9363-88; ГОСТ 9462-88; СНиП 2.01.08-85; СП 64.13330.2011. Согласно СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» взятие проб из конструкций деревянных перекрытий производится при вскрытии перекрытий по деревянным балкам в количестве не менее трех при обследовании до 100 м и не менее пяти при большей площади. Вскрытию подлежат также другие несущие деревянные конструкции. Определение физико-механических характеристик древесины и анализа степени поражения древесины микроорганизмами деревянных элементов конструкций, проводится методом ориентированного сверления в соответствии с п. 2.1.3., извлечением кернов возрастным буравом, а также выпиловкой брусков длиной 220 - 300 мм. Выпиленные бруски маркируются и помещаются в полиэтиленовые пакеты для дальнейших лабораторных исследований.
Из этих брусков выпиливаются образцы, соответствующие требованиям ГОСТ для испытаний на предел прочности на сжатие вдоль волокон. Влажность древесины определяется в соответствии с п. 2.2.1.
В лабораторных и натурных условиях отработаны и практически реализованы различные методики исследования свойств и структуры древесины, основу которых составили: 1. Методика исследования качественных показателей в полевых условиях, включающая следующие виды исследований: - методика исследования морфометрических показателей древесного ствола в полевых условиях; - выбора материала и схем проведения испытаний; - подготовка и проведение замеров, а также анализ полученных данных; 2. Методика исследования физико-механических свойств древесины стандартными методами, включающая: - методики определения показателей макростроения древесины с помощью прибора «Линтаб-6»; - стандартную методику определения механических свойств древесины; - статистическую обработку данных. 3. Методика исследования физико-механических свойств древесины на эксплуатируемых объектах. Приведенные методики позволили систематизировать существующие требования к проведению исследований и на их основе составить основные пути решения совершенствования методов оценки качества древесины на основе метода ориентированного сверления.
Определение погрешности замера данных, приведение к истинным значениям и установления показателей условной плотности древесины
Для изучения особенностей макростроения древесины лиственницы даурской, произрастающей в Якутии, нами проведены исследования с помощью двух методов - ориентированного сверления с помощью прибора «Резистограф» и замера показателей макростроения прибором по считыванию годичных колец «Линтаб-6». При анализе графиков и определения способа сверления (перерезания) анатомических элементов, установлено, что систематическая ошибка вывода результатов составляет в среднем 0,18 мм, при сравнении с данными полученными с помощью прибора «Линтаб-6». В связи с этим приведена поправка к расчету количества поздней древесины, по формуле: где: /и.а - ширина поздней зоны древесины, мм; 1гсл - ширина годичных колец; L6 - геометрический параметр наконечника сверла (см. рис. 3.5); Экспериментальные исследования показали, что число годичных слоев в 1 см составляет 7,5 шт./см, содержание поздней древесины - 18 %, плотность -621 кг/м . Значения показателей макроструктуры, полученные методом сверления, составляют: число годичных слоев в 1 см - 4,5-42 шт., содержание поздней древесины - 13-42 %. По радиусу ствола дерева наблюдается изменение показателей макроструктуры. Так наибольшие значения содержания поздней древесины приходятся на 2/3 радиуса ствола. По высоте ствола наблюдается тенденция возрастания количества годичных слоев на 1 см, когда как средние значения содержания поздней древесины практически не изменяются.
Экспериментальные исследования по стандартной методике показали, что среднее количество годичных слоев в 1 см составляет 13 шт, содержание поздней древесины составляет 22,9%. Также установлено, что ширина поздней зоны древесины имеет тесное уравнение связи двух показателей макростроения - ширины поздней древесины и ширины годичных слоев. Анализ графика показывает, что корреляционная связь между двумя показателями зависит от размеров годичных слоев (рис. 4.4). Поэтому и в дальнейшем для оценки тесноты корреляции мы считаем вполне правомерным использовать распределение древесины в зависимости от ширины годичных слоев на три группы: мелкослойные - от 0,03 до 1,26 мм (рис 4.5); средние от 1,27 до 2,54 мм (рис. 4.6); широкие от 2,55 и более (рис. 4.7). Такой подход позволяет увеличить диапазон рассматриваемых параметров и более четко выявить особенности взаимосвязи показателей.
Взаимосвязь ширины поздней древесины с шириной годичного слоя у древесины со средними по толщине слоями Исходя из полученных результатов можно сделать вывод о том, что для образцов с широкими годичными слоями значение ширины поздней древесины не имеет корреляционной связи (г=0.25). Из рис 4.5 видно, что ширина годичного слоя и ширина поздней зоны древесины имеет высокую линейную корреляционную связь, описываемую уравнением:
Выявлено, что ширина годичных колец и ширина поздней их зоны имеют линейную связь, которая отображается простейшим уравнением с коэффициентом корреляции не ниже 0,8. Общие результаты измерений приведены на рис. 4.8. -ЗО -25 - я я .. При проверке и апробации полученного уравнения. Результаты измерения поздней древесины двумя способами показала, адекватность результатов, методом ориентированного сверления.
Анализ полученных данных показывает, что по высоте ствола значения рассматриваемых параметров макростроения древесины лиственницы изменяются в следующем порядке: количество годичных слоев на 1 см по высоте ствола в среднем возрастает, когда как процент содержания поздней древесины практически не зависит от высоты взятия замеров.
В результате статической обработки данных экспериментальных исследований составлены соответствующие уравнения распределения плотности по диаметру ствола. На рис. 4.9 и 4.10 представлены кривые распределения базисной плотности на высоте 0,3 м, в направлении Север-Юг и Запад-Восток соответственно.
Характеристика распределение плотности в направлении замера с Севера на Юг (рис. 4.9) Средний диаметр ствола без учета коры составляет 30 см. Смещение сердцевины относительно центра составляет 3-4 см. Характеристика южной части ствола дерева, относительно сердцевины:
Характеристика северной части ствола дерева, относительно сердцевины: - наибольшие значения базисной плотности отмечаются на расстоянии 2/3 радиуса (560-565 кг/м3), наименьшие на образующей ствола (500-505 кг/м3); - распределения базисной плотности по радиусу можно охарактеризовать S-образной кривой. Характеристика южной части ствола дерева, относительно сердцевины: - наибольшая базисная плотность отмечается на расстоянии 2/3 радиуса (585-590 кг/м3), наименьшая - 1/5 радиуса (524-532 кг/м3); - изменение плотности по радиусу характеризуется S-образной кривой распределения базисной плотности. Распределение плотности в направлении замера с Запада на Восток представлена на рис. 4.13. Средний диаметр ствола без учета коры - 21 см. Смещение сердцевины относительно центра составляет - 1-2 см.
Из графика видно, что на высоте 1,3 м. наибольшим показателем базисной плотности обладает древесина южной части с относительно равномерным распределением по радиусу (20 кг/м ). Северная часть древесины обладает меньшими показателями базисной плотности и относительно большими колебаниями значений базисной плотности, которая составляет не менее 40 кг/м .
Экспериментальное исследование показателей плотности древесины
Из графика видно, что древесина в поперечном сечении ствола на высоте 11,0 м характеризуется равномерным распределением с величиной варьирования 500-540 кг/м . Наибольшей плотностью обладает древесина, расположенная с 1/2 радиуса ствола до образующей (520-540 кг/м3). Центральная зона древесины характеризуется плотностью (500-520 кг/м ). м. Распределение плотности в направлении замера с Севера на Юг представлена на рис. 4.41. Средний диаметр ствола без учета коры составляет 12 см. Смещение сердцевины относительно не отмечено. Характеристика южной части ствола дерева, относительно сердцевины: - распределение плотности равномерное, плотность составляет 490 500 кг/м3; Характеристика северной части ствола дерева, относительно сердцевины: - наибольшая базисная плотность отмечается на расстоянии 2/3 радиуса (600-610 кг/м3), наименьшая 1/3 радиуса (490-500 кг/м3); - изменение плотности по радиусу характеризуется S-образной кривой распределения базисной плотности. Характеристика распределение плотности в направлении замера с Запада на Восток (рис. 4.42).
Средний диаметр ствола без учета коры составляет 12 см. Смещение сердцевины относительно не отмечено. Характеристика западной части ствола дерева, относительно сердцевины: - наибольшая базисная плотность отмечается на расстоянии 2/3 радиуса (580-585 кг/м ), наименьшая на поверхности образующей ствола - изменение плотности по радиусу характеризуется S-образной кривой, с убыванием от центра к периферии ствола. Характеристика восточной части ствола дерева, относительно сердцевины: - наибольшая базисная плотность отмечается на образующей поверхности ствола (610-616 кг/м ), наименьшая возле сердцевины (530 кг/м3); - изменение плотности по радиусу характеризуется S кривой распределения базисной плотности, с возрастанием с сердцевинной части к периферии ствола. На рис. 4.43 представлена карта распределения плотности в поперечном сечении ствола на высоте 11,0 м.
Распределение плотности в направлении замера с Севера на Юг представлена на рис. 4.44. Средний диаметр ствола без учета коры составляет 11 см. Смещение сердцевины не отмечено. Характеристика южной части ствола дерева, относительно сердцевины: - наибольшая базисная плотность отмечается на расстоянии 3/4 радиуса (522-526 кг/м3), наименьшая - на расстоянии 1/2 радиуса (493-498 кг/м3); - изменение плотности по радиусу характеризуется S-образной кривой распределения. Характеристика северной части ствола дерева, относительно сердцевины: - наибольшая базисная плотность отмечается на расстоянии 3/4 радиуса (510-515 кг/м3), наименьшая 2/3 радиуса (460-470 кг/м3); - изменение плотности по радиусу характеризуется S-образной кривой распределения базисной плотности.
Распределение плотности в направлении замера с Запада на Восток представлена на рис. 4.45. Средний диаметр ствола без учета коры составляет 9 см. Смещение сердцевины не отмечено. Характеристика западной части ствола дерева, относительно сердцевины: - наибольшая базисная плотность отмечается на расстоянии 1/5 радиуса (505-510 кг/м ), наименьшая - на поверхности образующей ствола (485-490 кг/м3); - изменение плотности по радиусу характеризуется S-образной кривой, с убыванием от центра к периферии ствола. 540 -,
По идентичности кривых изменения плотности в исследуемых образцах можно предположить, что распределение плотности древесины в поперечном сечении ствола дерева определяется особенностью условий произрастания, а именно господствующими направлениями ветров в вегетационный период.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили, что распределение плотности по стволу дерева имеет общие характерные тенденции с эпюрами внутренних напряжений в древесине, полученными финским исследователем А. Юлиненом [4].
Все флуктуации плотности древесины отражены в карте распределения плотности древесины - «денситограмме» (рис. 4.47-4.50), составленной в результате интегрирования достоверных данных многочисленных инструментальных исследований модельных деревьев
Денситограмма выполнена в цилиндрических системах координат с представлением секторов: запад-юг, север-запад, восток-север, юг-восток. Граница распределения флуктуации плотности установлена определением значений плотности по следующим градациям: меньше 448 кг/м ; от 449 до 468 кг/м3; от 469 до 489 кг/м3; от 490 до 509 кг/м3.
Из рис. 4.50 видно, что сектор «юг-восток» имеет практически одинаково распределенную плотность по объему. Наибольшая плотность отмечается в комлевой части, далее происходит общее снижении плотности по высоте. На основе такой картины распределения плотности на различных разрезах можно с высокой степенью точности квалифицировать не только качество древесины, но и назначать отбор технологических сортиментов с максимальными предпочтениями тех или иных характеристик древесины. На основании результатов экспериментальных данных и анализа литературных источников сделаны следующие заключения:
Возникающие внутренние напряжения в древесине вследствие ветровых нагрузок, массы и кручения влияют как на форму ствола, так и на плотность древесины. Главную роль при этом играет годовой прирост, как в длину, так и в ширину. Внутреннее напряженнее в древесине в большей степени влияет на форму ствола. Так, при понижении бонитета влияние напряжений в стволе дерева снижается и отражается на показатели плотности. Если рассматривать высоту, диаметр, ветровые нагрузки, годовой прирост, то на основании этих факторов можно установить распределение плотности и форму ствола дерева.