Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для изготовления музыкальных инструментов и производства акустических панелей применяют высококачественную еловую и березовую древесину.
Исследования, основанные на способах неразрушающей диагностики древесины, требуют длительной и трудоемкой обработки данных и применяются преимущественно в лабораторных условиях и не могут осуществляться в процессе расколки дров. Поэтому разработка новых способов отбора резонансной древесины непосредственно в процессах первичной обработки древесины, в частности в процессах расколки кряжей, является актуальной.
Из колотых сортиментов резонансная древесина не отбирается из-за того, что контроль акустических свойств проводится только на стандартных образцах 3002020 мм. Их изготовление - сложный и трудоемкий процесс, при этом много ценной древесины теряется в опилки и стружку. Современные конструкции ультразвуковых приборов дают возможность использовать колотые сортименты вместо стандартных образцов. Для измерений акустических показателей древесины они не требуют предварительной обработки. Однако для измерений требуются новые датчики с предложенными нами конусными насадками.
Одновременно требуется частичное совершенствование технологических процессов раскола кряжей с последующим отбором древесины с резонансными свойствами, что можно реализовать на участках расколки дров, а также на деревообрабатывающих предприятиях.
Цель диссертационной работы - совершенствование способа ультразвукового отбора колотых сортиментов с резонансными свойствами на основе выявления закономерностей изменения акустических показателей.
Задачи исследования, которые были поставлены для этой цели:
-
на основе обзора научно-технической и патентной литературы создать методику измерений колотых сортиментов для отбора резонансной древесины;
-
разработать расчетные формулы акустических показателей у колотых сортиментов с учетом анизотропии, азимута и высоты на стволе;
-
разработать методику заготовки кряжей ели и березы с их расколкой на 12 секторов по азимуту, измерения геометрических и ультразвуковых параметров после расколки и комнатной сушки колотых сортиментов;
4) выявить моделированием закономерности распределения и динамику ультразвуковых показателей кряжей и колотых сортиментов берёзы и ели;
5) провести проверку методики отбора резонансных колотых сортиментов в производственных условиях лесных предприятий;
6) оценить экономическую эффективность предлагаемой технологии отбора резонансной древесины на колотых сортиментах ели и березы;
7) разработать патентоспособные технические решения и внедрить их в производство и учебный процесс.
Объект исследования. Колотые сортименты ели и березы для отбора резонансной древесины при разной влажности, плотности и анизотропии, а также азимута расположения колотых сортиментов в стволах модельных деревьев.
Предмет исследования. Закономерности изменения физических и акустических показателей древесины от радиуса годичных слоев, азимута и расположения в стволах деревьев колотых сортиментов.
Методика исследования. Исследованы размерные и структурные параметры колотых сортиментов после расколки кряжей и при комнатно-сухом состоянии древесины. Получены математические модели влияния азимута, массы, ширины замера, влажности на скорость прохождения УЗК в продольном, тангенциальном и радиальном направлениях анизотропии. Уточнена связь зависимости параметров УЗК от комлевой и вершинной части колотых сортиментов. Составлены таблицы по исходным данным и результатов расчета.
В экспериментах применяли ультразвуковой метод изучения свойств древесины, а также методы физических и геометрических измерений.
Применялись методы измерений акустических показателей древесины, статистической обработки экспериментальных данных в программных средах Excel, Curve Expert, Table Curve 3D, Phоtoshop 6.0, ArchiCAD.
Измерения проводились в соответствии со следующими стандартами:
- форма и размеры ствола растущего дерева по ГОСТ 17462-84;
- влажность древесины по ГОСТ 16483.7-71;
- плотность древесины по ГОСТ 16483.1-84;
- хранение кряжей и поленьев по ГОСТ 3808.1-80 и ГОСТ 7319-80;
- исследования на стандартном образце по ГОСТ 16483.0-89.
Научные положения, выносимые на защиту:
1) методика и результаты измерения акустических показателей древесины на колотых сортиментах, выбор конусных насадок к ультразвуковому прибору при испытаниях на эталонных и стандартных образцах;
2) закономерности и математические модели влияния азимута, массы, ширины замера и влажности на время, скорость, акустическую константу и сопротивление ультразвуку в тангенциальном направлении в сравнении с радиальным и продольным направлениями на колотых сортиментах и кряжах;
3) методика расчета акустических показателей древесины колотых сортиментов в зависимости от породы, местоположения кряжа в стволе дерева, направления снятия показаний ультразвукового прибора, влажности и анизотропии свойств древесины, а также азимута секторов в кряжах;
4) технические решения по применению предложенного способа диагностики резонансной древесины на колотых сортиментах в виде поленьев по патенту № 2334984 на изобретение на участках расколки дров.
Научная новизна. Выявлено, что ультразвуковые показатели в тангенциальном направлении анизотропии древесины изменяются в зависимости от азимута расположения колотых сортиментов в кряже. Установлены закономерности свойств древесины в зависимости от высоты расположения кряжей от корневой шейки ствола и азимута расположения секторов колотых сортиментов в кряжах.
Впервые разработан способ определения акустических свойств древесины на колотых сортиментах (поленьях) в тангенциальном направлении анизотропии (патент на изобретение РФ № 2334984).
Достоверность выводов и результатов исследований. Она обеспечена основными научными положениями, выводами и рекомендациями, изложенными в диссертации. Базируется на экспериментальных исследованиях, проведенных в Республиках Марий Эл и Беларусь. Результаты расчетно-экспериментальных исследований с погрешностью менее 5% на эталонных и стандартных образцах хорошо согласуются с данными известных решений и экспериментов, полученных другими авторами. Достоверность подтверждается также большой выборкой экспериментальных данных и высокой доверительной вероятностью более 90% выявленных устойчивых статистических закономерностей изменения акустических показателей древесины колотых сортиментов.
Практическая значимость. Предложенные методики диагностики резонансных свойств колотых сортиментов применимы на этапах от визуальной оценки деревьев до контроля готовых деталей музыкальных инструментов, включая процесс расколки кряжей.
Значимость запатентованного способа определения резонансных свойств на колотых сортиментах заключается в том, что он позволяет сертифицировать древесину, высушенную после расколки кряжей у поставщиков (а также на нижних лесопромышленных складах лесных предприятий или на предприятиях музыкальных инструментов) без механической обработки. Это позволит сертифицировать и увеличить экспорт ценной древесины и повысить выход продукции из дровяных кряжей с допустимыми акустическими показателями.
Предложен и обоснован технологический процесс отбора резонансных колотых сортиментов в виде поленьев на малом лесном предприятии, обеспечивающий наибольшую эффективность использования дров для отбора ценной резонансной древесины в виде колотых сортиментов.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».
Личное участие автора в получении результатов. Автор участвовала в разработке способа испытания колотых сортиментов, защищенный патентом на изобретение РФ № 2334984. Автор самостоятельно провела все производственные и лабораторные эксперименты в Беларуси и Куярском лесничестве Республики Марий Эл. Непосредственно автором диссертации разработаны: методика неразрушающей диагностики колотых сортиментов для отбора резонансной древесины; математическая модель расчета акустических показателей колотых сортиментов древесины; методика и модель сравнения со стандартными образцами древесины; выявлены основные закономерности влияния геометрических параметров насадок на пьезоэлектрических датчиках, а также направления анизотропии, месторасположения в стволе растущего дерева, азимута расположения в кряже на скорость, акустическую константу и акустическое сопротивление древесины ели и березы колотых сортиментов.
Реализация работы. Поисковые и основные эксперименты проводились в Печенском, Брилевском, Борисовском лесничествах ГОЛХУ «Борисовский опытный лесхоз» (Беларусь), Куярском лесничестве (Марий Эл). Отдельные результаты были внедрены в «ОАО Борисовское предприятие музыкальных инструментов» и в реставрации музыкальных инструментов фирмы «Джет Сеттгрупп» (Беларусь). Рекомендации по прогнозированию выхода резонансной древесины при заготовке круглого лесоматериала приняты в Куярском лесничестве. Способ и рекомендации по отбору колотых сортиментов внедрены в учебный процесс Поволжского ГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались, обсуждались и одобрены на заседаниях кафедры природообустройства МарГТУ (г. Йошкар-Ола, 2006-2012 гг.); Х международной конференции молодых ученых «Региональная наука» (г. Москва, 2009 г.); научно-технических конференциях «Наука в условиях современности» МарГТУ (2006-2012 гг.); VI Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых (г. Томск, 2010 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 статей, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. По теме диссертации получен патент на изобретение РФ № 2334984 «Способ ультразвукового испытания поленьев резонансной древесины». Общий объем публикаций 8,81 п.л., в том числе 6,75 п.л. у автора диссертации.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 227 назв., из них 27 на иностранном языке. Основной текст составляет 147 стр., а также приложения на 134 страницах.
