Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследования 12
1.1 Лесосырьевые ресурсы и перспективы использования древесины лиственницы в производстве строганого шпона 12
1.2 Оценка качественного состояния древесины при ее переработке 18
1.3 Обзор и анализ работ, посвященных производству и использованию строганого шпона 24
1.4 Выводы. Задачи исследования 37
2 Теоретический анализ влияния способа формирования строганого шпона на его объемно-качественные характеристики 39
2.1 Аналитическое решение и методика расчета выхода строганого шпона из кряжа 39
2.2 Оценка влияния условий формирования строганого шпона на качество его поверхности 63
2.3 Обоснование минимального диаметра кряжа при формировании строганого шпона на станках продольного строгания 69
2.4 Выводы 73
3 Экспериментальные исследования влияния морфометрических характеристик лиственницы на качественные показатели строганого шпона 74
3.1 Исследование изменения ширины годичных слоев по радиусу и длине ствола 74
3.1.1 Методика исследования 74
3.1.2 Результаты исследования и их обсуждение 77
3.2 Определение ширины годичных слоев на торце круглого лесоматериала методом дистанционного зондирования 83
3.2.1 Методика исследования 84
3.2.2 Результаты исследования 85
3.3 Построение объемной модели круглого лесоматериала 88
3.4 Исследование влияния вида резания на шероховатость поверхности древесины при строгании 100
3.4.1 Методика исследования 101
3.4.2 Данные результатов эксперимента и их анализ 106
3.5 Выводы 112
4 Исследование влияния формы круглого лесоматериала и способа его раскроя на объемный выход и вид строганого шпона 113
4.1 Методика численной оценки вида строганого шпона и его объемного выхода на основе информационно-математического моделирования срезаемых слоев 113
4.2 Анализ влияния формы круглого лесоматериала и способа его раскроя на объемный выход и вид строганого шпона 129
4.3 Выводы 136
5 Исследование влияния основных морфометрических характеристик кряжа, условий его раскроя и строгания на выход шпона 138
5.1 Обоснование выбора выходных параметров, постоянных и переменных факторов 138
5.2 Разработка математической модели 140
5.3 Оценка влияния основных факторов процесса строгания шпона на его объемно-качественный выход 146
5.4 Выводы 161
6 Экономическая эффективность предлагаемых технологических решений 163
Общие выводы и рекомендации 166
Список литературы 168
- Оценка качественного состояния древесины при ее переработке
- Определение ширины годичных слоев на торце круглого лесоматериала методом дистанционного зондирования
- Исследование влияния вида резания на шероховатость поверхности древесины при строгании
- Анализ влияния формы круглого лесоматериала и способа его раскроя на объемный выход и вид строганого шпона
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В «Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года» определены основные цели, одной из которых является удовлетворение потребностей внутреннего рынка высококачественной и конкурентоспособной продукцией отечественного производства, а одним из приоритетных направлений позиционируется «развитие мощностей по глубокой механической, химической и энергетической переработке древесины».
Современное состояние производства корпусной мебели характеризуется широким использованием синтетических облицовочных материалов.
Однако даже самый совершенный синтетический материал не способен обеспечить эстетическое восприятие и художественную выразительность натуральной древесины.
В мебельной промышленности страны имеется богатый опыт применения такого вида облицовочного материала как строганый шпон. Однако на протяжении достаточно длительного периода выпуск строганого шпона на территории Дальнего Востока был ориентирован на использование традиционных лиственных пород древесины (ясень, дуб и др.), эксплуатационный запас которых в лесном фонде Дальневосточного федерального округа в настоящее время резко сократился и составляет около 6 %.
Задачей поиска дополнительных ресурсов замены твердых лиственных пород при производстве строганого шпона занимались на протяжении многих лет, и было установлено, что лучшим заменителем древесины этих пород при облицовывании деталей мебели является лиственница. Лиственница наиболее широко распространена в лесах Дальнего Востока, ее запас составляет 65,2 %. Но за последние 20 лет размерно-качественный состав лиственничного сырья значительно изменился, что сдерживает вовлечение древесины лиственницы в переработку, связанную с производством строганого шпона. Поэтому требуется технологическая модернизация действующих производств, которая обеспечит повышение эффективности производства строганого шпона из лиственницы.
Таким образом, задача вовлечения древесины лиственницы в переработку, связанную с эффективным производством строганого шпона, является актуальной.
Настоящая работа выполнена в рамках госзадания Министерства образования и науки Российской Федерации на выполнение НИР ФГБОУ ВПО «ТОГУ» (договор № 1.7.12) «Моделирование раскроя круглых лесоматериалов на основе реконструктивного отображения макроструктурного строения древесины».
Степень разработанности темы исследования. Проблемами повышения эффективности производства строганого шпона занимались ученые: Л. П. Азарнина, П. В. Василевская, А. П. Комиссаров, В. И. Любченко, И. И. Михеев, В. Н. Плахов, Ю. А. Салов, А. О. Сафонов, А. С. Симонов, В. К. Соловьева, А. С. Торопов, В. Н. Хлебодаров, Е. С. Шарапов (Россия), А. А. Барташевич (Республика Беларусь), Э. И. Лобжанидзе (Грузия) и другие. Вопросам рационального раскроя сырья, имеющего различные формы образующей, посвящены работы многих исследователей: А. Е. Алексеева, И. Л. Белозерова, В. Ф. Ветшевой, В. С. Петровского, А. А. Пижурина, М. С. Розенблита (Россия) и другие. Вопросами улучшения текстуры древесины занимался Н. А. Трубников, В. А. Шамаев (Россия), математическому моделированию для прогнозирования сложных рисунков из шпона на декоративных элементах мебели посвящены работы А. А. Барташевича, Л. В. Игнатовича, А. В. Шишова (Республика Беларусь). Вопросы прогнозирования влияния морфометрических харак-
теристик (внутренней макроструктуры) древесины на свойства готовой продукции исследовались учеными: Л. В. Ильюшенковым, С. П. Исаевым, А. А. Тамби, А. Г. Черных, А. Н. Чубинским (Россия), М. Cerda (Чили), J. Kovanen (Финляндия).
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности производства строганого шпона из древесины лиственницы. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследования:
-
установить влияние способов раскроя кряжа и строгания шпона на его объемно-качественные параметры;
-
исследовать влияние морфометрических характеристик лиственницы на качественные показатели строганого шпона;
-
исследовать влияние вида резания на шероховатость строганной поверхности;
-
разработать информационно-математическую модель прогнозирования объемного выхода и вида (текстуры) строганого шпона;
-
изучить влияние факторов, характеризующих сырье, процессы его раскроя, строгания и прирезки шпона, на объемно-качественный выход строганого шпона;
-
разработать предложения по совершенствованию операций продольного раскроя круглых лесоматериалов и строгания шпона;
-
рассчитать экономическую эффективность внедрения технологических разработок.
Научной новизной обладают:
методика расчета выхода строганого шпона, основанная, в отличие от известных, на использовании теории кратных интегралов, современных математических пакетов и вычислительных средств;
определение характера изменения на пласти листа шпона ширины годичных слоев и наклона волокон в зависимости от морфометрических характеристик кряжа;
теоретическое и эмпирическое обоснование необходимости использования продольного раскроя сырья по сбегу и листов шпона для максимизации выхода радиального шпона при снижении границы минимального диаметра сырья;
математико-статистические модели, описывающие соотношения размеров мак-роструктурных элементов древесины и шероховатости поверхности шпона при различном направлении движения резания;
методика объективного определения вида строганого шпона (радиального, полурадиального, тангентального), основанная на численной оценке прямолинейности годичных слоев в плоскости резания и достаточности предположения их параллельности;
информационно-математическая модель объемного выхода и текстуры строганого шпона.
Теоретическая и практическая значимость работы. Для теории имеют значения:
аналитическое решение задачи определения объемного выхода строганого шпона, основанное на теории кратных интегралов;
математико-статистическая зависимость изменения ширины годичных слоев в плоскости поперечного сечения круглого лесоматериала лиственницы;
уравнения регрессии, устанавливающие влияние условий резания древесины лиственницы на шероховатость строганной поверхности;
информационно-математическая модель круглого лесоматериала с отображением его внутренней макроструктуры, представляющая собой открытую развивающуюся систему математического моделирования, имеющая обобщающий характер и возможность ее использования в других областях, связанных с раскроем древесного сырья, в частности, в производстве пиломатериалов.
Для практического применения имеют значение:
обоснование минимального значения диаметра кряжа лиственницы, применяемого в технологическом процессе производства строганого шпона;
обоснование формирования строганого шпона из лиственницы, обладающего минимальными и стабильными значениями шероховатости при осуществлении продольного строгания заготовок;
объективный метод определения вида строганого шпона, основанный на численной оценке прямолинейности годичных слоев;
программный комплекс автоматизированного расчета объемного выхода и идентификации вида строганого шпона.
Внедрение результатов в производство позволит:
увеличить объемы вовлечения древесины лиственницы в переработку;
получать качественный строганый шпон из древесины лиственницы. При этом толщина шпона может быть снижена с 0,8 мм до 0,6 мм, что обеспечит увеличение его объемно-качественного выхода;
управлять процессами раскроя кряжей и строгания шпона с прогнозированием его объемно-качественного выхода в режиме реального времени.
Методология и методы исследования. Методологическую основу исследований составили базовые положения науки о древесине и ее свойствах. Использовались научные методы планирования экспериментов; работы ученых по исследованию продольного раскроя круглых лесоматериалов, их размерно-качественных характеристик, производства строганого шпона; патентная информация, ресурсы Интернет; инновационные методы и средства исследований: фотограмметрическое зондирование, прецизионная про-филография; стандартные методики испытаний по различным ГОСТам; современные способы обработки экспериментальных данных, математическое и программное моделирование с использованием возможностей математических пакетов Mathcad и MATLAB.
Научные положения, выносимые на защиту:
применение алгоритма расчета, основанного на теории кратных интегралов, позволяет прогнозировать объемный выход строганого шпона в зависимости от схемы продольного раскроя кряжа;
внутренняя макроструктура древесины круглого лесоматериала, характеризуемая шириной и расположением годичных слоев, находится в тесной связи с морфомет-рическими характеристиками лиственничного кряжа;
морфометрические характеристики лиственничного кряжа позволяют выбрать схему продольного раскроя кряжей с максимальным выходом строганого шпона радиальной текстуры;
прогнозируемый объемный выход строганого шпона определенного вида релевантно оценивается на основе виртуального раскроя реконструированной модели круглого лесоматериала.
Степень достоверности результатов исследований обеспечивается использованием современных методов исследования, разработкой при обоснованных допущениях корректных информационно-математических и регрессионных моделей, что подтверждается экспериментальными данными, а также актами внедрения об использовании результатов диссертационной работы.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались на XI-й Международной научно-технической конференции «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития» (Брянск, 2011 г.); на VII-м международном
евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» (Екатеринбург, 2012); на IX-й международной научно-технической интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2012 г.); на Международном научно-практическом форуме «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона» (Хабаровск, 2012 г.); на III-й Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной информатики» (Коломна, 2013 г.); на всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2013 г.); на II-й Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические вопросы развития научной мысли в современном мире» (Уфа, 2013 г.); на VII-м конкурсе-конференции научных работ молодых ученых ТОГУ (Хабаровск, 2013); на XVI Краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов (Хабаровск, 2014).
Технология продольного раскроя круглых лесоматериалов с применением программно-аппаратного комплекса создания реконструктивного отображения внутренней макроструктуры древесины удостоена Диплома и серебряной медали в номинации «Новые высокотехнологические разработки оборудования и наукоемкие технологии» на конкурсе «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая разработка года» (Санкт-Петербург, 2013 г.).
Результаты работы защищены 3-мя патентами и 5-ю свидетельствами о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Результаты исследования приняты для использования в проектно-конструкторской деятельности ЗАО «Комплексная проектная компания», применены в проектно-конструкторской работе ООО «Дальтехнодрев» (г. Хабаровск). Отдельные материалы диссертационной работы используются в учебном процессе Тихоокеанского государственного университета кафедры «Технология заготовки и переработки древесных материалов» по дисциплине «Технология клееных материалов и древесных плит».
По материалам диссертации опубликованы 20 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента на изобретение и 5 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [2, 3, 5, 13] – информационно-математическое моделирование, обработка и анализ полученных результатов; [4] – аналитическое решение и методика расчета выхода строганого шпона; [1] – выполнение экспериментальных исследований и их статистическая обработка; [6] – разработка способа раскроя сырья по сбегу в производстве строганого шпона; [7, 8, 12, 19, 20, 21] – предложение способа отображения внутренней макроструктуры (годичных слоев) кряжей и его математическое описание; [17, 18] – разработка программных комплексов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав основного текста, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 182 страницах и включает 75 рисунков и 24 таблицы. Библиографический список содержит 156 наименований цитируемых работ российских и зарубежных авторов. Приложения включают результаты экспериментальных данных и их обработки, акты внедрения результатов диссертационной работы.
Оценка качественного состояния древесины при ее переработке
Требования ГОСТ 9463-88 к толщине сырья составлены с учетом общепринятых способов раскроя кряжей на заготовки и способа строгания заготовок на шпон, при котором резание древесины осуществляется в поперечном направлении. Поэтому актуален вопрос разработки новых технологий, позволяющих организовать рентабельное производство лиственничного строганого шпона из сырья меньшего диаметра, причем с преобладающим количеством радиального и полурадиального вида. В связи с необходимостью рассмотрения возможности эффективного производства строганого шпона из хвойного сырья диаметра меньшего 32 см следует вернуться к кряжевому способу разделки фанерного сырья, обеспечивающего достаточно высокий выход 44…51 % [123] для сырья диаметром 26…40 см. Недостатки этого способа известны – это незначительное количество радиального и полурадиального шпона [98], а также трудности фиксации брусьев на столе шпонострогального станка (при строгании нескольких брусьев). При использовании станков, где резание осуществляется в продольном направлении и по одной заготовке, последний недостаток устраняется. Однако вопрос уменьшения выхода тангентального шпона из лиственницы при таком способе строгания остается открытым.
Качество шпона, по мнению различных ученых, зависит от различных факторов: способа прогрева древесины и температуры ее нагрева, плотности и твердости древесины, угла между направлением строгания и направлением волокон древесины, направлением строгания – от вершинной части к комлевой или наоборот, направлением строгания относительно волокон древесины – поперечным или продольным. По мнению большинства исследователей, качество строганого шпона, в основном, определяется прочностью шпона при растяжении поперек волокон, разнотолщинностью и шероховатостью.
Поиск оптимальных режимов тепловой обработки древесного сырья нашел отражение в работах Н.В. Качалина, Э.И. Лобжанидзе, А.П. Комиссарова, П.П. Анисова [7, 66, 69, 75, 76] и других. Обобщая результаты предыдущих исследователей, А.П. Комиссаров [69] экспериментально и теоретически установил, что оптимальная температура нагрева лиственничной древесины равна 40+5 С. При этом в качестве основных критериев для оценки качества шпона принимались такие его показатели как шероховатость и разнотолщинность. Автор [69] показал, что рекомендуемая В. К. Соловьевой [121] максимальная температура нагрева древесины лиственницы 68 С слишком высока.
Режимы строгания древесины на шпон рассматривались в работах В.И. Любченко, П.В. Василевской, В.Н. Плахова, И.И. Михеева, А.С. Симонова [32, 71, 77, 79, 83, 98, 99, 120] и других. В.И. Любченко исследовал влияние взаимного расположения ножа и прижимной линейки на шероховатость шпона и рекомендует оптимальный угол для установки прижимной линейки относительно ножа принимать равным 42 градусам. В.Н. Плахов дает параметры оптимальной геометрии прижимной линейки, ее положения относительно ножа и поверхности резания. И.И. Михеев исследовал влияние степени обжима древесины на относительную глубину трещин в шпоне. Установлено, что с уменьшением глубины внутренних трещин прочность шпона на растяжение перпендикулярно волокнам растет. А.С. Симонов показал влияние степени обжима и скорости резания на шероховатость поверхности шпона и его прочность на растяжение перпендикулярно волокнам. Автор считает, что обжим, равный 15…20 %, является оптимальным для лиственничного шпона. Исследования показали, что минимальную шероховатость имеет радиальный шпон. Полурадиальный шпон имеет шероховатость больше примерно в 1,5 раза, а тангентальный - в 1,9 раза.
Продольным резанием древесины занимались А.Л. Бершадский, С.А. Воскресенский, Р.Х. Гайнуллин, А.Э. Грубе, Е.Г. Ивановский, В.И. Санев, Н.И. Цвет-кова, А.Н. Чемоданов [27, 37, 38, 49, 56, 135] и другие. Анализ исследований показал, что получаемый таким образом шпон превосходит по качеству шпон, получаемый при поперечном строгании. Сам процесс продольного строгания требует также меньших энергозатрат. Шпон имеет меньшие внутренние трещины и мень 30 шую шероховатость [154]. Поэтому продольное строгание является перспективным способом повышения эффективности производства строганого шпона.
Одним из путей повышения эффективности использования древесины и выхода продукции в производстве строганого шпона является снижение ее материалоемкости (например, строгание шпона уменьшенных толщин [13, 26, 53, 90, 98, 117, 134]). В работе [148] отмечается, что чем тоньше шпон, тем меньше его шероховатость. В производстве тонкого строганого шпона существенное влияние на его качество оказывает глубина трещин [90]. Она не только определяет прочность шпона, но и влияет на просачиваемость шпона клеем. С этих позиций для производства тонкого шпона целесообразно использовать продольный способ строгания. Известно, что по ГОСТ 2977-82 [45] строганый шпон в зависимости от текстуры древесины подразделяется на следующие виды: радиальный, полурадиальный, тангентальный и тангентально-торцовый. В ГОСТ 2977-82 дается характеристика радиального и полурадиального шпона. Причем если у радиального шпона все годичные слои имеют вид прямых параллельных линий по всему листу, то к полурадиальному относят такой, у которого годичные слои образуют прямые параллельные линии на площади не менее площади листа. В.Н. Плахов [98] отразил это условие в виде отрезков ВВ2 = Вр и ВВ1 = Вр (рис. 1.4). Высоты зон выхода радиального, полурадиального и тангентального шпона (Яр, Япр и Ят), обозначенных на рисунке 1.4, определяются по следующим формулам: - при ванчесном и кряжевом способах раскроя Яр =0,144Д-Я0; Нпр = 0,306Д; Ят =0,550Д-Я3; (1.4) - при полуванчесном способе раскроя Яр = 0,144Д-Я2; Нпр = 0,306Д; Ят = 0,550Д-(Я0 +Я3). (1.5)
Такой метод прогнозирования вида шпона позволяет говорить о возможном количестве (доле) радиального, полурадиального или тангентального шпона. В работе не указывается для какого диапазона диаметров справедливы эти формулы. Анализ формулы (1.4) для определения зоны, из которой получается радиальный шпон, показывает, что она справедлива только для диаметров более 40 см. При толщине отструга 3 см (автор [98] ссылается на паспортные данные шпоно-строгального станка) не трудно рассчитать, что радиальный шпон будет выходить только при радиусе R не менее 20,83 см, поскольку в этом случае высота радиальной зоны Hр неотрицательна.
Определение ширины годичных слоев на торце круглого лесоматериала методом дистанционного зондирования
Анализ результатов расчета выхода шпона показывает: 1) использование сбеговой зоны при раскрое параллельно оси кряжа позволяет увеличить выход строганого шпона при принятых выше допущениях и изменении сбега от 0,5 до 4,0 см/м на 0,1 – 1,5 %; 2) использование сбеговой зоны при раскрое кряжей параллельно сбегу не влияет на выход шпона; 3) выход шпона в случае раскроя кряжа параллельно сбегу превышает на 0,9 % соответствующий показатель выхода при раскрое параллельно оси, если сбег составляет 0,5 см/м. При остальных значениях сбега (от 1 до 4 см/м), напротив, выход шпона при раскрое параллельно оси превышает соответствующие показатели выхода при раскрое параллельно сбегу (на 0,7 – 8,7 %), причем эта разница увеличивается с ростом сбега кряжа. Характер такого изменения выхода шпона при раскрое параллельно сбегу связан с более быстрым ростом объема отструга при увеличении сбега. При изменении сбега от 0,5 до 4,0 см/м объем отструга в случае раскроя параллельно сбегу увеличивается в 3 раза быстрее, чем при раскрое параллельно оси (табл. А.2).
Следовательно, при раскрое по сбегу необходимо стремиться к использованию сырья, имеющего сбег до 1 см/м, и выбору технологий и оборудования, позволяющих получать отструг с минимальной толщиной.
Средний сбег без деления по месту вырезки из хлыста составляет 0,942 см/м [28]. Поэтому можно констатировать, что способ раскроя кряжа существенного влияния на объемный выход шпона, в среднем, не оказывает. Его изменение в ту или иную сторону, в основном, обусловлено величиной сбега конкретных кряжей.
Таким образом, разработанное аналитическое решение с соответствующим программным обеспечением, позволяет точно и быстро определять объемы древесного сырья и его частей, достаточно сложных по форме, и может быть использовано в технологических расчетах по определению выхода строганого шпона при различных схемах продольного раскроя кряжей. 2.2 Оценка влияния условий формирования строганого шпона на качество его поверхности
Технология производства строганого шпона постоянно совершенствуется за счет применения более рациональных способов раскроя кряжей на заготовки, внедрения прогрессивных способов строгания, широкого вовлечения древесины хвойных пород.
Наиболее ценным принято считать строганый шпон радиального и полурадиального вида. Такой шпон имеет меньшую шероховатость поверхности листов шпона и более высокую прочность, поскольку радиальный шпон имеет меньший угол перерезания волокон. Кроме того, радиальный и полурадиальный шпон образуют более прочные и стабильные по площади клеевые швы за счет лучшего смачивания поверхности клеем. На таких поверхностях лучше сохраняются лакокрасочные материалы [35].
В соответствии с ГОСТ 2977-82 годичные слои радиального и полурадиального шпона должны, в основном, иметь вид прямых линий [45]. Такое требование к текстуре поверхности шпона обеспечивает возможность набора одинаковых по декоративности облицовок, что в результате гармонизирует внешний вид наружных поверхностей мебельного изделия.
Одним из факторов, влияющих на вид получаемого строганого шпона, является способ раскроя сырья перед строганием. По существующей технологии раскроя круглого лесоматериала на заготовки для строгания шпона пропилы делают параллельно оси кряжа, поэтому при строгании из одной заготовки получают шпон трех видов: радиальный, полурадиальный и тангентальный.
Для получения листов с линейной текстурой поверхности предлагается использовать способ [92], согласно которому при раскрое кряжа на заготовки для строгания плоскости первых двух наружных противоположных пропилов ориентируют параллельно оси кряжа и между собой, а последующие плоскости пропилов ориентируют параллельно образующей поверхности кряжа. При этом плоско 64 сти наружного и внутреннего пропилов каждой заготовки попарно параллельны между собой и перпендикулярны к плоскостям двух первых пропилов.
Схема раскроя кряжа и выполнение резов показана на рисунке 2.7. Предлагаемый способ раскроя кряжей на заготовки для строгания шпона реализуют при выполнении следующей последовательности операций. Первоначально кряж 1 опиливают с двух сторон, при этом плоскости пропилов ориентируют параллельно оси кряжа. Затем из полученного двухкантного бруса формируют тупокантный брус 2, опиленный с четырех сторон, причем плоскости последующих двух сторон бруса формируют параллельно сбегу кряжа. Полученный тупокантный брус распиливают на два ванчеса 3 и 6 с выпиливанием сердцевинной доски 5. При выпиливании сердцевинной доски первый рез выполняют параллельно наружной плоскости ту-покантного бруса, сформированной по сбегу. В результате получают ванчес 3, в котором годичные слои расположены параллельно друг другу. Затем из оставшейся от тупокантного бруса части 4 выпиливают сердцевинную доску 5, представляющую собой по форме многогранник в виде обелиска (усеченного клина).
Исследование влияния вида резания на шероховатость поверхности древесины при строгании
Для отображения годичных слоев в объеме круглого лесоматериала предполагается, что слои расположены параллельно образующей круглого лесоматериала. Поэтому каждый отдельный слой представляет собой либо усеченный конус (параболоид, нейлоид), либо конус (параболоид, нейлоид), который также может быть образован вращением некоторой прямой (параболы, параболы Нейля) вокруг оси Х Уравнение такой образующей годичного слоя получается из уравнения (3.13) смещением функции, описывающей образующую кряжа, вниз на расстояние Ас: ус{и) - функция, задающая образующую годичного слоя; hс - расстояние между образующими круглого лесоматериала и годичного слоя; Ъ - высота конуса (параболоида, нейлоида) или усеченного конуса (параболоида, нейлоида), зависящая от расстояния hс. Величину расстояния hс можно найти, зная ширину hr годичного слоя, определяемую по формуле (3.2).
Для определения высоты Ъ конуса (параболоида, нейлоида) или усеченного конуса (параболоида, нейлоида), графически представляющего отдельный слой, необходимо вычислить значение yc(L). Если значение данной функции в точке L, соответствующей длине кряжа, неотрицательное ( yc(L) 0), тогда высота Ъ сов 93 падает с длиной круглого лесоматериала ф = L). Иначе, при отрицательном значении yc(L) ( yc(L) 0) высота Ъ определяется как точка пересечения функции ус(и) с осью Х, проходящей вдоль продольной оси кряжа. Следовательно, для нахождения высоты Ъ необходимо решить уравнение:
Таким образом, математическая модель круглого лесоматериала с отображением годичных слоев в его объеме записывается в виде: \F(u,v) = u, G(w,v)=yc(w)cosv, v W (3.17) H(u,v) = yc(u)smv, 0 u b, 0 v 27r. Входящие в (3.17) функции и ограничения определяются по выражениям (3.13), (3.14) и (3.16). При hс = 0 данная модель будет представлять поверхность кряжа (3.12), а при 0 /L к - поверхность годичного слоя. Переменная v, характеризующая в с 2 (3.17) угол поворота образующей круглого лесоматериала или годичного слоя, изменяется от 0 до 2 л и тем самым получается модель круглого лесоматериала с отображением годичных слоев внутри него.
Для отображением текстуры годичных слоев на поверхности плоскости ре 94 зания, проходящей на заданном расстоянии R\ от оси кряжа и расположенной под углом q \ к этой оси (рис. 3.13), необходимо задать уравнение плоскости резания. В общем виде уравнение плоскости 1 (рис. 3.13) можно записать как:
В дальнейшем, учитывая симметричность рассматриваемых тел вращения, плоскость резания достаточно моделировать только в положительной части оси Z.
Для графического моделирования текстуры годичных слоев на поверхности плоскости резания 1 достаточно ограничить изменение переменной v в модели (3.17) так, чтобы отображалась та часть конуса (параболоида, нейлоида), которая расположена не выше плоскости z\(u,v) и для которой при данном значении и є [0, b] справедливо условие:
То есть при некотором угле поворота v = Т\ поверхность кряжа или годичного слоя пересекает плоскость z\(u,v). В связи с тем, что отображается только та часть конуса (параболоида, нейлоида), которая расположена не выше плоскости резания z\(u,v), переменная v изменяется от (ж– Т\) до (2л+ Т\). Поэтому для графического отображения текстуры годичных слоев на поверхности плоскости резания 1 дополнительное ограничение переменной v в модели (3.17) примет вид:
При необходимости отображения текстуры годичных слоев с двух сторон некоторой пластины, вырезаемой из круглого лесоматериала, предполагается, что плоскости резания находятся на некотором расстоянии друг от друга. Поэтому требуется рассмотреть вариант построения двух плоскостей, проходящих на заданных расстояниях R\ и R2 от продольной оси кряжа и расположенных соответственно под углами ср\ и q i к этой оси (рис. 3.14). При этом между данными плос 96 костями будут отображаться слои, через которые они проходят.
Поскольку должна отображаться та часть конуса (параболоида, нейлоида), которая расположена между плоскостями z\(u,v) и z2(u,v), необходимо в модели (3.17) ограничить изменение переменной v. Поэтому требуется определить, при каких углах поворота т\ и т2 поверхность кряжа или годичного слоя пересекает соответственно плоскости резания z\(u,v) и z2(u,v).
Анализ влияния формы круглого лесоматериала и способа его раскроя на объемный выход и вид строганого шпона
Анализ результатов расчетов, выполненных с использованием полученного программного комплекса, подтвердил возможность прогнозирования влияния формы образующей, способа резания (параллельно оси или образующей), применения технологии раскроя листа шпона на вид получаемого шпона и его объемный выход. При принятых исходных данных и допущениях выход радиального шпона существенно зависит от формы образующей и от способа резания. Максимальное его количество получается при резании параллельно образующей кряжа, имеющей форму прямой.
Полученная информационно-математическая модель позволяет корректировать технологический процесс в зависимости от того, какой вид шпона требуется получить, сортируя сырье по типу образующей и регулируя подачу в производство соответствующих кряжей с нужной формой образующей.
Однако в производство строганого шпона поступает сырье, имеющее не только разные формы образующих, но и разный сбег и диаметр. Кроме того, известно, что эффективность производства строганого шпона во многом зависит от его толщины. Исследование этих факторов позволяет более полно учесть влияние морфометрических характеристик древесины лиственницы на выход строганого шпона.
В настоящей главе проводятся исследования по изучению влияния формы образующей, сбега, диаметра кряжа и толщины изготавливаемого шпона на его количественный и качественный выход. Обоснование выбора выходных параметров, постоянных и переменных факторов
Проведенный выше анализ показал, что для производства радиального шпона целесообразнее использовать кряжи, имеющие образующую в форме прямой, так как при этом обеспечивается его максимальный выход как при способе раскроя кряжа параллельно образующей, так и параллельно оси. Причем последний случай предполагает обязательное применение технологии с раскроем листа. Поэтому необходимо установить влияние исследуемых факторов на выход шпона по его видам для кряжей, образующие которых имеют форму параболы Нейля или параболы. Выход шпона определяется при раскрое кряжа параллельно оси и параллельно образующей. В целом это позволит более эффективно использовать данное сырье в производстве.
Выбранное множество факторов должно быть достаточно полным. В противном случае возможно получение существенной ошибки в опыте [1]. Анализ литературных данных и результаты наших исследований позволяют установить следующие постоянные (табл. 5.1) и переменные (табл. 5.2) факторы. Уровни и интервалы варьирования значений факторов устанавливаются в соответствии с задачей исследования, а также по результатам материалов предыдущих глав.
О необходимости использования лиственницы для производства строганого шпона отмечалось в первой главе. Длина кряжа, равная 3 м, сохраняется постоян ной на протяжении всех предыдущих расчетов данной работы и обеспечивает сравнимость получаемых результатов.
Кряжевой способ раскроя принят, поскольку он позволяет наиболее полно использовать древесину [123]. В виду того, что предполагается производить шпон при продольном строгании, вопрос жесткого крепления заготовок на столе станка не является актуальным. Толщина отструга зависит от способа строгания (поперечного или продольного), технологии продольного раскроя кряжа, конструкции шпонострогальных станков, особенностей технологии строгания и может изменяться от 3 до 40 мм [10, 36, 72, 98]. Для сравнимости результатов расчетов толщина отструга принимается равной 20 мм.
Согласно ГОСТ 9463-88 минимальный диаметр лиственничного сырья составляет 32 см [47]. Однако, как уже отмечалось во второй главе, доля сырья, отвечающего требованиям ГОСТ 9463-88, составляет немногим более 1 % от эксплуатационного запаса. Средний диаметр заготавливаемой лиственницы составляет 24 см. Учитывая необходимость производства строганого шпона из лиственницы и расширение соответствующей сырьевой базы, во второй и третьей главах был обоснован ее минимальный диаметр (22 см) и предложена технология получения качественного шпона. Поэтому нижний уровень варьирования диаметра принят равным 20 см, а верхний 36 см.
Толщина строганого шпона из лиственницы в соответствии с ГОСТ 2977-82 может быть 0,8 или 1,0 мм [45]. Результаты проведенных в третьей главе исследований по изучению влияния способа строгания на шероховатость поверхности показали, что при продольном строгании шероховатость примерно в 2,5 раза меньше, чем при поперечном. Анализ информации производителей строганого шпона из лиственницы, применяющих станки с продольным строганием, показал возможность получения качественного лиственничного шпона толщиной 0,6 мм [109]. Поэтому за нижний интервал варьирования принят шпон толщиной 0,6 мм, а за верхний – 1,0 мм.
Известно, что сбег зависит от диаметра бревен. Причем с уменьшением диаметра сбег тоже снижается [95]. Для разных частей хлыста он также отличается. Так, по данным П.М. Пашкова, на первом метре комлевых бревен с диаметром 30 см сбег составляет порядка 8 см/м, а с диаметром 60 см – 13,5 см/м [28]. По данным В.Н. Корякина соответствующий сбег для лиственницы даурской составляет 8,7 и 12,5 см/м [122]. При принятых интервалах изменения диаметра средний сбег в различных частях бревна может изменяться от 0,5 до 2,3 см/м [62, 122].
