Технология строганого лиственничного шпона на основе моделирования макроструктуры древесины

Бегункова, Наталья Олеговна

Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Технология строганого лиственничного шпона на основе моделирования макроструктуры древесины

кандидата технических наук: Бегункова, Наталья Олеговна
город: Хабаровск
год: 2014
специальность ВАК РФ: 05.21.05
цена: 450 рублей

Диссертация по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева на тему «Технология строганого лиственничного шпона на основе моделирования макроструктуры древесины»

Автореферат диссертации по теме "Технология строганого лиственничного шпона на основе моделирования макроструктуры древесины"

На правах рукописи

БЕГУНКОВА НАТАЛЬЯ ОЛЕГОВНА

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОГАНОГО ЛИСТВЕННИЧНОГО ШПОНА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАКРОСТРУКТУРЫ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ДПР 2014

Санкт-Петербург- 2014

005547582

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ТОГУ»).

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Исаев Сергей Петрович

Официальные оппоненты:

Сафонов Андрей Олегович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», декан

Тамби Александр Алексеевич, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова», доцент

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Защита состоится « 4 » июня 2014 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.220.03 при Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С. М. Кирова (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета имени С. М. Кирова, http://ftacadeniy.ru.

Автореферат разослан « » а>/?&е/10 2014 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Алексей Романович Бирман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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: J1.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:

1) установить влияние способов раскроя кряжа и строгания шпона на его объемно-качественные параметры;

2) исследовать влияние морфометрических характеристик лиственницы на качественные показатели строганого шпона;

3) исследовать влияние вида резания на шероховатость строганной поверхности;

4) разработать информационно-математическую модель прогнозирования объемного выхода и вида (текстуры) строганого шпона;

5) изучить влияние факторов, характеризующих сырье, процессы его раскроя, строгания и прирезки шпона, на объемно-качественный выход строганого шпона;

6) разработать предложения по совершенствованию операций продольного раскроя круглых лесоматериалов и строгания шпона;

7) 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 МаЛса(1 и МАТЪАВ.

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 Х1-й Международной научно-технической конференции «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития» (Брянск, 2011 г.); на УН-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 Ш-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-M 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 макроструюуры (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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель и сформулированы задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе - «Состояние вопроса. Цель и задачи исследования» - выполнен анализ состояния вопроса, обоснованы цель и задачи исследования, сделан аналитический обзор лесосырьевых ресурсов Дальневосточного региона. Показана острая проблема недостатка традиционного сырья (ясеня, дуба) для изготовления строганого шпона в Дальневосточном регионе. В качестве одной из пород, серьезно расширяющей сырьевую базу производства строганого шпона на Дальнем Востоке, может служить лиственница. Но в связи с изменением таксационных показателей эксплуатационных лесов средний диаметр лиственницы на территории Дальневосточного региона составляет 22 - 24 см.

Поэтому перед производителями остро стоит проблема повышения эффективности производства строганого шпона. Исследованиями в этом направлении, а также рациональным раскроем сырья, имеющим различные формы образующей, и прогнозированием влияния морфометрических характеристик (внутренней макроструктуры) древесины на свойства готовой продукции занимались многие российские и зарубежные ученые. Однако комплексных исследований, направленных на повышение эффективности производства строганого шпона из древесины лиственницы малых диаметров, не проводилось. Учеными не затрагивались вопросы, связанные с влиянием морфометрических характеристик древесного сырья, отражающих внутреннюю макроструктуру, на объемный и качественный выход

шпона. Проведенный анализ _М форшроиЬи ж*

научных работ и достижений в области производства строганого шпона показал, что часть вопросов, связанных с эффективностью формирования строганого шпона, требует дальнейшего решения, определяет новые области исследования и формулирует соответствующие задачи. Основные области исследований повышения эффективности процесса формирования строганого шпона приведены на рис. 1.

Реализация решений поставленных задач представлена в следующих главах.

Во второй главе - «Теоретический анализ влияния способа формирования строганого шпона на его объемно-качественные характеристики» - приведены аналитическое решение и методика расчета выхода строганого шпона из кряжа; проведена оценка влияния условий формирования строганого шпона на качество его поверхности; определены условия для обоснования минимального диаметра кряжа.

При определении выхода строганого шпона, как правило, используются нормативы расхода сырья, получаемые экспериментальным путем, отличающимся высокой трудоемкостью, и дающие усредненные данные. В связи с этим для определения выхода строганого шпона разработан алгоритм расчета объемного выхода строганого шпона с использованием теории кратных интегралов и математического пакета «МаШсаё 14».

При изучении влияния способа раскроя кряжа (параллельно оси или параллельно сбегу) на выход сырого шпона без учета его вида сделаны следующие допущения: кряж

Рис. 1 - Основные области исследований повышения эффективности процесса формирования строганого шпона

имеет форму усеченного кругового конуса, поверхность которого задается в декартовых координатах уравнением второго порядка; применяется кряжевой способ разделки фанерного сырья; за минимальную ширину шпона принимается ширина шпона в вершинном торце; отходы на опилки и на срезки учитываются в объеме соответствующих горбылей.

Методика нахождения выхода шпона из кряжа базируется на вычитании объемов отдельных частей (отстругов, горбылей и др.), которые образуются при раскрое и идут в отходы, из объема всего кряжа. Так, при кряжевом способе раскроя объем Vег, отпиливаемого параллельно продольной оси кряжа горбыля определяется по формуле:

j ) ' \dzdydx-

2 2 где dK, dB - диаметр кряжа соответственно в комле и в вершине; х\ - расстояние от продольной оси кряжа до плоскости резания; L - длина кряжа, определяющая высоту усеченного конуса; Н- высота конуса.

Выход шпона из кряжей рассчитывается по следующим вариантам: раскрой кряжей на заготовки при распиловке параллельно его оси и параллельно его образующей; с использованием сбеговой зоны и нет (минимальные размеры шпона принимались в соответствии с требованиями ГОСТ 297782). В результате расчетов установлено, что способ раскроя кряжа существенного влияния на объемный выход шпона не оказывает. Его изменение, в основном, обусловлено величиной сбега круглого лесоматериала (рис. 2).

Строгание ванчесов осуществляется, как правило, поперек волокон. Известно, что изменение шероховатости поверхности строганого шпона по сечению ванчеса в значительной степени обуславливается величиной угла встречи ножа с годичными слоями. Поэтому для определения угла с\ встречи ножа с годичными слоями в плоскости резания при поперечном строгании ванчесов выполнены соответствующие расчеты. Принимая, что центр поперечного сечения кряжа совпадает с началом координат, угол ак определяется как:

ak = arctg —, (1)

где ха - проекция точки пересечения плоскости резания с годичным слоем на ось X, р - расстояние вдоль оси Y от центра до плоскости резания, параллельной оси X.

Анализ построенных на основе формулы (1) зависимостей изменения угла встречи ножа с годичными слоями показал, что угол встречи ножа с годичными слоями при поперечном строгании ванчесов изменяется от 0 до 180 градусов. А это, в свою очередь, способствует получению шпона с нестабильной шероховатостью поверхности.

H-L-

2 (Я-

+У

J J

jdzdydx)

Рис. 2 - Выход шпона из кряжа: 1,2- параллельно оси кряжа соответственно с использованием и без сбеговой зоны; 3, 4 -параллельно сбегу кряжа соответственно с использованием и без сбеговой зоны

Поэтому рекомендуется для получения шпона с меньшей шероховатостью использовать станки с продольным строганием ванчесов, которые в последнее время получают все большее распространение и обеспечивают в процессе строгания относительное постоянство угла встречи ножа с годичными слоями (угол всегда меньше 30 градусов).

Поскольку повышению качества строганого шпона также может способствовать образование годичных слоев одинаковой ширины на его поверхности (равнослой-ность), для исследования условий формирования такого шпона выведена формула определения ширины йр годичного слоя в плоскости резания:

¿р=^(*а+'р)2-р2-^а2-/>2 , (2)

где - ширина годичного слоя в плоскости резания прир = 0 (вдоль оси X).

Анализ формулы (2) позволил определить условия получения равнослойного шпона. Начиная с 40-го годичного слоя, ширина последующих слоев изменяется незначительно и находится в интервале от 0,5 до 0,8 мм.

Таким образом, в результате теоретических исследований установлено, что повышение эффективности производства строганого шпона, обусловленное увеличением его объемно-качественного выхода, может быть достигнуто на основе учета морфо-метрических характеристик круглого лесоматериала, влияния внутренней макроструктуры древесины и за счет выбора предложенной схемы раскроя и способа строгания.

В третьей главе - «Экспериментальные исследования влияния морфометриче-ских характеристик лиственницы на качественные показатели строганого шпона» -приведены результаты исследования зависимостей изменения ширины годичных слоев по радиусу и длине ствола лиственницы, а также результаты многофакторного эксперимента по установлению влияния условий резания на шероховатость строганной поверхности. На основе экспериментальных данных построена объемная модель круглого лесоматериала и осуществлен эксперимент по его виртуальному раскрою, в результате которого получена видеоинформация, отражающая текстуру в плоскости реза.

Экспериментальные исследования определения изменения ширины годичных слоев проводились на специально изготовленных поперечных образцах-срезах толщиной от 20 до 30 мм, полученных из отобранных 30 хлыстов лиственницы. В результате обработки массива данных установлена функциональная зависимость между относительным радиусом в сечении ствола и шириной кг годичного слоя:

Иг = -0,438 Р6 +4,646Р5 -18,914Р4 +36,476Ръ -32,281Р2 + 8,783 Р + 2,275 , (3)

где Р - относительный радиус в сечении ствола, Р = ;

г - радиус в сечении ствола, который изменяется от 5 до 200 мм. Корреляционное отношение установленной зависимости т]1 = 0,962;

С помощью корреляционного уравнения (3) рассчитаны и построены зависимости изменения ширины годичного слоя на торцах кряжей лиственницы (рис. 3).

Результаты выполнен-

. 3 к

§2,*

fe 2-§

■ 1,5-

5 £

я 1 е-о.5-

А ч % N 1 IM 111-11 IV- III V-IV V

\ § N к и х- и" J

\ \х ч к у ><

s4 г

О 20 41) 60 80 100 120 НО 160 180 2С Радиус торца кряжа, мм

Рис. 3 - Зависимость изменения ширины годичного слоя по радиусу торца кряжа: цифра указывает номер кряжа по длине ствола, первая цифра соответствует комлевому торцу кряжа, вторая - вершинному

ных исследований показывают, что зона наибольшей ширины годичных слоев ограничивается максимальной величиной внутреннего радиуса в 40 мм. Тогда расстояние от продольной оси кряжа лиственницы до границы равнослойности можно принять равным 40 мм. Это позволило подтвердить предположение, сделанное в теоретической части, о возможности уменьшения диаметра кряжей лиственничного сырья для изготовления шпона при строгании на станках продольного типа, который может быть ограничен 22 см.

Увязка качества выпускаемой продукции с морфометрическими характеристиками поступающего в переработку сырья ставит задачу необходимости прогнозирования внутренней макроструктуры кряжа в режиме реального времени в процессе подготовки к раскрою. Эту проблему частично можно решить путем применения методов телеметрии, например, методом фотограмметрического зондирования.

В результате видеосъемки комлевого торца (рис. 4) получены изображения его годичных слоев, которые преобразованы в их цифровой эквивалент для дальнейшего использования при моделировании реконструктивного отображения годичных слоев в объеме круглого лесоматериала (рис. 5). Решение задачи реконструктивного моделирования внутренней макроструктуры круглого лесоматериала в режиме реального времени с помощью метода фотограмметрического зондирования осуществлялось в три этапа. Первый этап включал детектирование годичных слоев на поверхности комлевого торца круглого лесоматериала. На втором этапе осуществлялось моделирование поверхности годичных слоев в объеме круглого лесоматериала посредством перемещения аллометрической кривой, описывающей образующую поверхности круглого лесоматериала, по предварительно смоделированным линиям годичных слоев. На третьем этапе выполнялось имитационное моделирование раскроя круглого лесоматериала плоскостями, обозначающими плоскости резания, которые пересекают реконструированные поверхности годичных слоев под заданным углом: параллельно оси и параллельно образующей круглого лесоматериала.

Рис. 4 - Структурная схема видеосъемки торца Рис. 5 - Визуализация результатов

круглого лесоматериала: 1 - круглый обработки изображения комлевого торца

лесоматериал; 2 - роликовые вращающиеся круглого лесоматериала с линиями

опоры; 3 - комлевой торец; 4 - видеокамера; детектирования годичных слоев 5 - системный блок; 6 - монитор

Результат моделирования раскроя кряжа секущей плоскостью, имитирующей плоскость резания, расположенной параллельно оси кряжа, приведен на рис. 6.

Отсутствие четкости текстуры на видеоизображении, представленном на рис. 6, привело к необходимости применения информационно-математического моделирования.

При построении модели круглого лесоматериала принят ряд упрощений: ствол дерева представляет собой тело вращения; отдельные части ствола приближаются к четырем геометрическим формам: нижняя - к нейлоиду, средняя (отдельные короткие отрезки) - к цилиндру, вершинная - к конусу, а большая часть - к параболоиду. Построенная модель описывается следующими уравнениями и ограничениями: Р(и,у) = и

(4)

б(и,у) = >>с(м)созу Н(и,у) = ус(ы)зту О <и<Ь, 0 < V <2л. где и - независимая переменная, изменяющаяся вдоль длины кряжа; V - независимая переменная, характеризующая угол поворота образующей кряжа (го-

Рис. 6 - Визуализация результата моделирования раскроя параллельно оси кряжа

дичного слоя) вокруг продольной оси кряжа; функция ус(и) задает уравнение образующей годичного слоя:

<-5-, 0<и<Ь, 2

(5)

где йс - расстояние между образующими кряжа и годичного слоя, вычисляемое с учетом определяемой по формуле (3) ширины кг годичного слоя; Ъ определяет зависящую от Ас высоту описывающего поверхность годичного слоя конуса (параболоида, нейлоида) или усеченного конуса (параболоида, нейлоида), графически ограничивает отдельный годичный слой и находится как точка пересечения функцииуа(и) с ОХ, проходящей вдоль продольной оси кряжа; у (и) - функция, определяющая форму образующей круглого лесоматериала:

-и, если образующая кряжа - прямая;

у(и) =

2 Ь

,¿4

2 Ф

если образующая кряжа - парабола; если образующая кряжа-парабола Нейля.

(6)

где а?к, <4 ~ диаметр кряжа соответственно в комле и в вершине; Ь - длина кряжа.

Для построения продольного раскроя кряжа и отображения текстуры годичных слоев на поверхности плоскости резания, проходящей на заданном расстоянии от оси кряжа и расположенной под углом (р\ к этой оси, используется уравнение плоскости резания:

г^и,у) = Я1-{и-Ь^<р1 ' (7)

и ограничивается переменная V в модели (4):

[0,2?г],еслиуо(и) < г1(и,у)

2яч-агсзт-

Ус («) Ус О)

Технологически возможен вариант, при котором необходимо отобразить текстуру годичных слоев с двух сторон некоторой пластины, вырезаемой из кряжа. В этом случае дополнительно задается вторая плоскость г2(и,у) резания, проходящая на расстоянии Л2

(Я2 > от оси кряжа и расположенная под углом ^ > ср{] к этой оси (рис. 7), и используется ограничение переменной у в виде:

агсзш —-, агсэт -

Ус (и)

2 у)

. (и, V)

тг - агсвт

Ус (и)

к - агсзт -

я- - агсзт -

УЛи) Л (")

при г, (и, V) ус (и) < (и, у).

,при ус (и)>г2(и,у);

(8)

Ус(") Ус(")

На основе предложенной математической модели кряжа составлен алгоритм и на встроенном в пакет МАТЪАВ И2009а языке программирования разработан программный комплекс предсказательного моделирования текстуры поверхностей, формируемых при продольном раскрое кряжа. Возможности функционирования данного комплекса представлены на рис. 8-9.

Для проверки соответствия виртуальной и натуральной текстуры осуществлен раскрой образцов круглых лесоматериалов по Рис- 7 ~ Графическая модель двух

параметрам, заложенным при построении мо- плоскостей резания кряжа

делей (рис. 8 - 9). Визуальное сравнение полученных рисунков показывает их идентичность.

Рис. 8 - Текстуры срезов древесины, полученные с помощью предсказательного моделирования и после реального раскроя кряжа при плоскости резания, параллельной оси кряжа

Рис. 9 - Текстуры срезов древесины, полученные с помощью предсказательного моделирования и после реального раскроя кряжа при двух плоскостях резания, параллельных образующей кряжа

Одним из показателей, характеризующих качество поверхности строганого шпона, является шероховатость поверхности, обеспечивающая его эффективное использование в качестве облицовочного материала. Показатель шероховатости поверхности Яттах определялся на японском прецизионном профилографе ЗиЯРСОМ 1800В.

В качестве постоянных факторов приняты: порода древесины - лиственница; условия строгания - без обжима; угол заточки ножа - 18 градусов; угол между режущей кромкой ножа и направлением волокон - 15 градусов; толщина срезаемого слоя -0,5 мм; протяженность трассы измерения шероховатости поверхности образца - 15 мм; количество трасс на исследуемой поверхности равно 2. В качестве переменных факторов приняты координаты отбора образцов по зонам сечения кряжа в долях его диаметра (табл. 1) и вид резания.

Таблица 1 - Переменные факторы эксперимента

Наименование фактора Обозначение Уровни варьирования

натуральное нормализованное нижний основной верхний

Координата по ширине бруса, доли диаметра Ъ Х\ 0,15 0,5 0,85

Координата по высоте бруса, доли диаметра к Х2 0,5 0,675 0,85

В результате проведения эксперимента и обработки данных были получены адекватные регрессионные модели:

для поверхностей, получаемых при продольном строгании:

У" = 84,93

- 2,03+ 12,82х2 - 1,67л:,2 + 9,11x1 + 1,1Ъх^х2 ;

для поверхностей, получаемых при поперечном строгании:

У* = 316,82-2,80х, + 49,32х2 -49,43Л:,2 -44,52х2 -32,68Х,Х2.

(9) (10)

С помощью полученных уравнений построены графики (рис. 10 и 11), анализ которых позволяет констатировать, что шероховатость строганной поверхности в плоскости по ширине бруса при поперечном направлении движения резания в 1,5...3 раза больше по сравнению с шероховатостью строганной поверхности, образованной при продольном направлении движения резания.

ь -§ 1

§ | юо.о &«

X «

г §

8 I 90,0

I Й 80,0

Н-0,85с|

М,511 1

_ г 350

2 4

¡3 *

| I 300

о 2 о* и

5 1 250

|И>,851 и _

Ь- иъл

¡•ОМ

0.0 0.1 0,2 0.3 0.4 0,5 0.« 0.7 0.8 0.» Координат по ширине бруса, «долях диаметра кряжа

Рис. 10 - Зависимость шероховатости строганной поверхности в плоскости сечения по ширине бруса при продольном направлении движения резания

0,0 О,] оа 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Координата по ширине бруса, в долях диаметра кряжа

Рис. 11 - Зависимость шероховатости строганной поверхности в плоскости сечения по ширине бруса при поперечном направлении движения резания

Оценка усредненных значений шероховатости строганных поверхностей позволила установить, что среднее значение шероховатости строганной поверхности по всему объему бруса при продольном направлении движения резания составило Яттах =91 мкм, при этом относительное рассеивание случайной величины составило 19,6 %. При поперечном направлении движения резания усредненное значение шероховатости строганных поверхностей составило Лттах = 246 мкм, а относительное рассеивание случайной величины - 23,4 %. Профилограммы, характеризующие средние значения микропрофилей на строганных поверхностях, для исследуемых условий резания изображены на рис. 12.

Полученные данные показывают, что наиболее качественный шпон из древесины лиственницы возможно изготавливать при продольном направлении движения резания. При этом толщина строганого шпона из древесины лиственницы может быть снижена с

5,0 10.0

Длина измеряемой поверхности, мм

0,8 мм до 0,6 мм, что обеспечит увеличение выхода строганого шпона в среднем на 25 %.

Четвертая глава -«Исследование влияния формы круглого лесоматериала и способа его раскроя на объемный выход и вид строганого шпона» - посвящена разработке методики численной оценки вида строганого шпона и исследованию его объемного выхода на основе информационно-математического моделирования срезаемых слоев.

В настоящее время согласно ГОСТ 2977-82 вид шпона предлагается определять визуально. В работе предложен численный способ оценки вида строганого шпона, основанный на получении количественной характеристики прямолинейности годичного слоя. В зависимости от формы образующей кряжа (прямая, парабола или парабола Нейля) и угла наклона плоскости резания к его оси возможны пять различных вариантов текстуры годичных слоев, отображаемых на смоделированном листе шпона. В качестве примера на рис. 13 — 14 представлены два таких возможных варианта.

5.0 10.0

Дшиа измеряемой поверхности, мм

Рис. 12 - Профилограммы строганной поверхности: а - при продольном направлении движения резания; б - при поперечном направлении движения резания

Рис. 13 - Модель текстуры листа шпона при плоскости резания, параллельной продольной оси кряжа

Рис. 14 - Модель текстуры листа шпона при плоскости резания, параллельной образующей кряжа, имеющей вид параболы Нейля

Отображенные на смоделированном листе шпона годичные слои проверяются на прямолинейность. Для идентификации вида листов шпона с учетом их симметричности относительно продольной оси находится граница (прямая 2 на рис. 13 и прямая 3 на рис. 14) области листа, на которой отображаемые годичные слои представлены только прямыми линиями. Разработан алгоритм нахождения границы области. Крите-

рием для оценки прямолинейности годичных слоев принят допуск, величина которого установлена ГОСТ 28459-90 «Таблица телевизионная испытательная универсальная 0286» на уровне 0,3 %.

На основе предложенной методики на встроенном в пакет МАТЬАВ 112009а языке программирования разработан программный комплекс автоматизированного расчета объемного выхода и идентификации вида строганого шпона.

С использованием программного комплекса были выполнены расчеты, анализ которых показал, что при принятых исходных данных и допущениях выход радиального шпона существенно зависит от формы образующей кряжа (рис. 15) и от способа его раскроя (рис. 16). Общий объемный выход шпона для всех форм образующих кряжа примерно одинаковый. При раскрое кряжа параллельно его образующей и последующего индивидуального раскроя листа шпона общий выход последнего увеличивается для всех форм образующих.

Н без раскроя листа шпона

Тип образующей кряжа Вид шпона

Рис. 15 - Объемный выход радиального шпона Рис. 16 - Объемный выход шпона по его при раскрое кряжа параллельно образующей видам с раскроем листа без уменьшения

длины, образующая кряжа - парабола Нейля

Приведенная 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, 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 пятой главе - «Исследование влияния основных морфометрических характеристик кряжа, условий его раскроя и строгания на выход шпона» - приведены результаты исследования влияния формы образующей, сбега, диаметра кряжа и толщины изготавливаемого шпона на его объемно-качественный выход. Для этого был проведен многофакторный эксперимент. Переменные факторы и уровни варьирования приведены в таблице 2.

В качестве выходных параметров рассматривается общий объемный выход и выход радиального, полурадиального и тангентального шпона при строгании кряжей параллельно его оси и параллельно образующей, имеющей форму параболы Нейля и параболы. С целью максимального выхода радиального шпона предлагается технология индивидуального раскроя листа.

В результате обработки полученных данных были построены регрессионные модели, характеризующие выход радиального шпона при строгании кряжей, имеющих форму параболы, параллельно оси и параллельно образующей у"0; и общий выход шпона при строгании кряжей, имеющих форму параболы, параллельно оси у"0 и параллельно образующей : урПо = -48,33-0,09 ¿в2 + 6,65?2„ +4Д0512 +6,98с/„ --11,711шп - 29,92 5 + 0,02 гшп + 0,03 ¿в 5 + 0,06 Гшп 5' = 48,51 -0,07¿в2 + 29,12Г2П + 0,64 52 + 4,28 ¿в -

- 47,14?шп - 24,40 5 + 0,03 с!„ Гшп + 0,42 йГ„ 5 - 0,55 ?шп 5' у™ = 63,52-0,02¿2 + 8,15?2П -0,9152 + 1,47Й?в --14,191ШП - 4,93 5 + 0,03 ¿„ /шп + 0,29 ¿в 5 + 0,051ШП 5 ' ,у0Пс =61,44-0,03й2 +2,21 Г^ -0,345"2 + 1,90й?в -

- 3,52 Гшп -11,57 5 - 0,00 Ы, Гшп + ОД 7 ¿в 5 - 0,12 гшп 5 ' На рис. 17 представлены поверхности отклика, построенные с помощью регрессионных моделей (11) и (12) и характеризующие влияние диаметра и сбега на объемный выход радиального шпона. На рис. 18 представлены поверхности отклика, построенные с помощью регрессионных моделей (13) и (14) и характеризующие влияние диаметра и сбега на общий объемный выход шпона.

Таблица 2 - Переменные факторы

Наименование Обозначение факторов Уровни варьирования

нижний основной верхний

Диаметр кряжа, см 20 28 36

Толщина шпона, мм Аип 0,6 0,8 1,0

Сбег, см/м 5 0,4 1,7 3,0

(П) (12)

(13)

(14)

Рис. 17 - Зависимость объемного выхода радиального шпона от диаметра и сбега кряжа, имеющего образующую в форме параболы, при толщине шпона 0,8 мм и плоскости резания, параллельной: 1 - оси; 2 - образующей кряжа

Рис. 18 - Зависимость общего объемного выхода шпона от диаметра и сбега кряжа, имеющего образующую в форме параболы, при толщине шпона 0,8 мм и плоскости резания, параллельной: 1 - оси; 2 - образующей кряжа

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Решена задача, способствующая дальнейшему развитию теоретических и практических знаний в области древесиноведения, а также получены научно обоснованные технологические решения раскроя и строгания древесины лиственницы при формировании строганого шпона, имеющие существенное значение для деревоперера-батывающей отрасли экономики страны.

2. Разработан аналитический способ определения выхода строганого шпона, который положен в основу методики технологических расчетов, позволяющих обоснованно выбирать схемы продольного раскроя кряжей.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внутренней макроструктуры лиственницы (ширины годичных слоев) и обоснования минимального диаметра кряжа позволили определить условия получения равнослойного шпона и дать рекомендации по использованию лиственничных круглых лесоматериалов диаметром от 22 см, что увеличивает объемы производства круглых лесоматериалов из лиственницы до 18 - 19 % от эксплуатационного запаса.

4. Теоретическими и экспериментальными исследованиями по изучению влияния макроструктуры древесины лиственницы, условий подготовки и строгания на качественные характеристики шпона установлено, что наиболее качественный шпон возможно изготавливать при продольном направлении движения резания. При этом шероховатость поверхности (Яттгх) строганого шпона примерно в 2,5 раза ниже, чем поверхности шпона, полученного при поперечном движении резания, что позволяет

Влияние на выход радиального шпона, выраженный в квадратных метрах, его толщины отражают поверхности отклика, приведенные на рис. 19. Снижение толщины изготовляемого шпона приводит к росту выхода радиального шпона в квадратных метрах, а использование при этом раскроя кряжей параллельно сбегу способствует большему приросту такого выхода по сравнению со строганием параллельно оси.

Таким образом, поскольку средний диаметр круглых лесоматериалов лиственницы в настоящее время составляет 22 -24 см, то для увеличения выхода радиального шпона из кряжей уменьшенных толщин рекомендуется использовать кряжи с меньшим сбегом, строгать шпон меньшей толщины и использовать индивидуальный раскрой листа.

В шестой главе - «Экономическая эффективность предлагаемых технологических решений» - выполнен технико-экономический анализ предлагаемых решений. Расчетный экономический эффект составляет 6375 руб. на 1000 м2 строганого шпона.

Рис. 19 - Зависимость выхода радиального шпона (м ) от его толщины и диаметра кряжа, имеющего образующую в форме параболы, при сбеге 1,7 см/м и плоскости резания, параллельной: 1 - оси; 2 - образующей кряжа

уменьшить толщину шпона с 0,8 мм до 0,6 мм и обеспечить увеличение выхода строганого шпона в среднем на 25 %.

5. Разработаны информационно-математическая модель круглого лесоматериала и программный комплекс для ее виртуальной реализации. Модель позволяет строить расположение годичных слоев в объеме кряжа с учетом формы его образующей, делать виртуальный раскрой под заданным углом относительно продольной оси кряжа с формированием плоскости резания и отображать ее текстуру. Корреляционное отношение связи между моделируемыми и фактическими значениями соответствующих ширин годичных слоев в плоскости резания составило 0,971.

6. Разработана методика объективной оценки вида строганого шпона и его объемного выхода, основанная на численной оценке прямолинейности годичных слоев в плоскости резания и информационно-математическом моделировании срезаемых слоев, позволяющая сформулировать требования к созданию аппаратно-технологического осуществления процесса сортирования шпона по виду.

7. Результаты имитационного моделирования процесса формирования строганого лиственничного шпона позволяют сделать заключение о степени влияния основных информационно-технологических факторов (диаметр и сбег круглого лесоматериала, форма его образующей, способ его раскроя и толщина шпона) на объемно-качественный выход шпона. Установлено, что общий выход сырого шпона из сырья диаметром от 20 до 36 см находится в пределах 70 - 90 %. При этом доказана возможность повышения выхода радиального строганого шпона в среднем на 35 % при переходе от строгания параллельно оси к раскрою параллельно образующей и использованию круглых лесоматериалов диаметром от 20 до 24 см.

8. Рекомендуется для современных предприятий, использующих продольные шпонострогальные станки, применять сортировку круглых лесоматериалов по форме образующей, а раскрой осуществлять параллельно сбегу. Предлагаемые усовершенствованные операции продольного раскроя круглых лесоматериалов в технологии производства строганого шпона защищены патентом РФ (пат. № 2414348).

9. Технико-экономический анализ подтвердил эффективность предлагаемых решений. Расчетный экономический эффект составляет 6375 рублей на 1000 м2 строганого шпона.

10. Значимость полученных результатов подтверждена их апробацией и принятием проектно-конструкторскими организациями к внедрению.

Перспективы дальнейшей разработки темы. В рамках дальнейших исследований планируется совершенствование моделирования внутренней макроструктуры древесины круглого лесоматериала с учетом пороков (сучков, кармашков и др.), позволяющего прогнозировать требуемую текстуру строганого шпона и использовать технологию индивидуального раскроя листа шпона с целью повышения эффективности производства.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Бегункова, Н. О. Учет морфометрических характеристик стволовой части лиственницы даурской в технологии производства строганого шпона [Текст] / Н. О. Бегункова, С. П. Исаев, О. И. Бегунков//Вестник КрасГАУ.-2012.-Вып. 7.-С. 165-171.

2. Бегункова, Н. О. Предсказательное моделирование поверхностей, формируемых при раскрое круглого лесоматериала [Текст] / Н. О. Бегункова, С. П. Исаев,

О. И. Бегунков // Системы. Методы. Технологии. - 2012. -№ 4 (16). - С. 97 - 102.

3. Исаев, С. П. Моделирование годичных слоев древесины в объеме и на разрезах круглого лесоматериала [Текст] / С. П. Исаев, Н. О. Бегункова // Вестник Тихоокеанского государственного университета.-2013.-№ 1 (28).-С. 159-168.

4. Исаев, С. П. Аналитическое решение и методика расчета выхода строганого шпона при использовании сбеговой зоны кряжа [Текст] / С. П. Исаев, И. О. Бегункова, О. И. Бегунков // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. - 2013. -Вып. 202.-С. 137- 147.

5. Бегункова, Н. О. Прогнозирование объемного выхода и вида строганого шпона на основе информационно-математического моделирования срезаемых слоев и их оценки [Текст] / Н. О. Бегункова, С. П. Исаев, О. И. Бегунков // Системы. Методы. Технологии. - 2013. - № 3 (19). - С. 151 - 156.

Патенты:

6. Пат. 2414348 Российская Федерация, МПК B27L 5/00. Способ изготовления строганого шпона [Текст] / Исаев С. П., Бегункова Н. О., Бегунков О. И. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет». -№ 2009148397/21 ; заявл. 24.12.2009 ; опубл. 20.03.2011, Бюл. № 8. _ 4 с.: ил.

7. Пат. 2487352 Российская Федерация, МПК G01N 33/46, В27В 1/00. Способ моделирования реконструктивного отображения годичных слоев в объеме и на разрезах круглого лесоматериала [Текст] / Бегунков О. И., Исаев С. П., Бегункова Н. О., Раупов В. Р.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет». -№ 2011149278/15 ; заявл. 02.12.2011 ; опубл. 10.07.2013, Бюл. № 19. - 8 с.: ил.

8. Пат. 2492042 Российская Федерация, МПК В27В 1/00. Способ продольного раскроя круглых лесоматериалов [Текст] / Исаев С. П., Бегунков О. И., Бегункова Н. О.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет». -№ 2012125314/13 ; заявл. 18.06.2012 ; опубл. 10.09.2013, Бюл. №25-6 с.: ил.

В прочих изданиях:

9. Бегункова, Н. О. Пути улучшения декоративно-художественных свойств строганого шпона [Текст] 7 Н. О. Бегункова // Актуальные проблемы лесного комплекса : сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. - Брянск : БГИТА, 2011. - Вып. 30. - С. 183 - 185.

10. Бегункова, Н. О. Формирование качества поверхности строганого шпона [Текст] / Н. О. Бегункова // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века : тр. VII междунар. евразийского симпоз. - Екатеринбург, 2012. - С. 59 - 64.

11. Бегункова, Н. О. Обоснование минимального диаметра кряжа для производства строганого шпона на станках продольного строгания [Текст] / Н. О. Бегункова // Леса России в XXI веке : материалы девятой международной научно-технической интернет-конференции. Сентябрь 2012г. - Санкт-Петербург, 2012. - С. 34 - 36.

12. Исаев, С. П. Раскрой круглых лесоматериалов с учетом реконструктивного моделирования внутренней макроструктуры древесины [Текст] / С. П. Исаев, Н. О. Бегункова, О. И. Бегунков // Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона : материалы Международного научно-практического форума, 25-26 октября 2012 г. -Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2013. - С. 88 - 91.

13. Бегункова, Н. О. Информационная поддержка технологического процесса раскроя круглых лесоматериалов [Текст] / Н. О. Бегункова, С. П. Исаев, О. И. Бегунков // Актуальные вопросы современной информатики : материалы III Международной заочной научно-практической конференции (1-15 апреля 2013 г.). - Коломна : Московский государственный областной социально-гуманитарный институт, 2013. - С. 103 - 107.

14. Бегункова, Н. О. Применение информационных технологий для оценки вида строганого шпона [Текст] / Н. О. Бегункова // Теоретические и практические вопросы развития научной мысли в современном мире: сборник статей II Международной научно-практической конференции. 29-30 апреля 2013 г. : в 4 ч. 4.4. - Уфа : РИЦ БашГУ, 2013.-С. 39-43.

15. Бегункова, Н. О. Технология формирования строганого шпона на основе информационно-математического моделирования морфометрических характеристик древесного сырья [Электронный ресурс] / Н. О. Бегункова // Ученые заметки ТОГУ: электронное научное издание. - 2013. - Т. 4. № 4. - С. 1204 - 1220. - Режим доступа : http://pnu.edu.ru/media/ejournal/articles-2014/TGU_4_224.pdf. (16.01.2014).

Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ:

16. Программный комплекс предсказательного моделирования текстуры поверхностей, формируемых при раскрое круглого лесоматериала / С. П. Исаев, Н. О. Бегункова, О. И. Бегунков. Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2013614119 от 24.04.2013 г.

17. Программный комплекс автоматизированного расчета объемного выхода и идентификации вида строганого шпона / Н. О. Бегункова, С. П. Исаев, О. И. Бегунков. Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ№ 2013660838 от 20.11.2013 г.

18. Программный модуль начальной обработки статических изображений, имеющих текстурные круговые линии на поверхности / В. Р. Раупов, Н. О. Бегункова, О. И. Бегунков. Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012616766 от 27.07.2012 г.

19. Программный модуль детектирования годичных колец на торцах круглых лесоматериалов / В. Р. Раупов, Н. О. Бегункова, С. П. Исаев, О. И. Бегунков. Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012616767 от 27.07.2012 г.

20. Программный модуль реконструктивной визуализации слоев в трёхмерных моделях частей ствола дерева / В. Р. Раупов, Н. О. Бегункова, С. П. Исаев, О. И. Бегунков. Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012616771.от 27.07.2012 г.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.220.03 или прислать отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова, Ученый Совет.

БЕГУНКОВА НАТАЛЬЯ ОЛЕГОВНА АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 01.04.14. Формат 60x84/ V16. Бумага писчая. Печать цифровая. Усл.-печ. л. 1,16. Тираж 110 экз. Заказ 74.

Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанского государственного университета. 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.

Текст работы Бегункова, Наталья Олеговна, диссертация по теме Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет»

На правах рукописи

04201456333

Бегункова Наталья Олеговна

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОГАНОГО ЛИСТВЕННИЧНОГО ШПОНА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАКРОСТРУКТУРЫ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Исаев С. П.

Хабаровск - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

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

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................................183

Приложение А. Промежуточные данные для расчета выхода шпона................184

Приложение Б. Листинг документа Mathcad для расчета выхода шпона..........185

Приложение В. Результаты замеров ширины годичных слоев образца № 2-1 .189

Приложение Г. Свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.................192

Приложение Д. Алгоритм построения модели круглого лесоматериала...........195

Приложение Е. Свидетельство № 2013614119 о государственной регистрации

программы для ЭВМ.................................................................................................199

Приложение Ж. Интерфейс программного комплекса моделирования

текстуры поверхностей, формируемых при раскрое кряжа................................200

Приложение И. Блок-схема алгоритма оценки вида шпона и его

объемного выхода....................................................................................................202

Приложение К. Свидетельство № 2013660838 о государственной регистрации

программы для ЭВМ................................................................................................204

Приложение Л. Интерфейс программного комплекса автоматизированного

расчета объемного выхода и идентификации вида строганого шпона..............205

Приложение М. Расчет коэффициентов регрессионной модели........................208

Приложение Н. Акты внедрения............................................................................209

ВВЕДЕНИЕ

В «Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года» [124] 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».

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 % [122]. 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 производством строганого шпона, является актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Проблемами повышения эффективности производства строганого шпона занимались ученые: Л.П. Азарни-на, П.В. Василевская, А.П. Комиссаров, В.И. Любченко, И.И. Михеев, В.Н. Плахов, Ю.А. Салов, A.C. Симонов, В.К. Соловьева, A.C. Торопов, В.Н. Хлебодаров, Е.С. Шарапов (Россия), A.A. Барташевич (Республика Беларусь), Э.И. Лобжанид-зе (Грузия) и другие. Вопросам рационального раскроя сырья, имеющего различные формы образующей, посвящены работы многих исследователей: А.Е. Алексеева, И.Л. Белозерова, В.Ф. Ветшевой, B.C. Петровского, A.A. Пижурина, М.С. Розенблита (Россия) и других. Вопросами улучшения текстуры древесины занимался H.A. Трубников, В.А. Шамаев (Россия), математическому моделированию для прогнозирования сложных рисунков из шпона на декоративных элементах мебели посвящены работы A.A. Барташевича, Л.В. Игнатовича, A.B. Шишова (Республика Беларусь). Вопросы прогнозирования влияния морфометрических характеристик (внутренней макроструктуры) древесины на свойства готовой продукции исследовались учеными: Л.В. Илыошенковым, С.П. Исаевым, A.A. Тамби, А.Г. Черных, А.Н. Чубинским (Россия), М. Cerda (Чили), J. Kovanen (Финляндия).

Целью диссертационной работы является повышение эффективности производства строганого шпона из древесины лиственницы.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследования:

1) установить влияние способов раскроя кряжа и строгания шпона на его объемно-качественные параметры;

3) исследовать влияние вида резания на шероховатость строганной поверхности;

7) рассчитать экономическую эффективность внедрения технологических разработок.

Предметом исследования являются макростроение, морфометрические характеристики и процесс раскроя кряжей и строгания древесины лиственницы.

Объектом исследования является древесина лиственницы даурской.

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 профилография; стандартные методики испытаний по различным ГОСТам; современные способы обработки экспериментальных данных, математическое и программное моделирование с использованием возможностей математических пакетов МаШсас! и МАТЬАВ.

Научные положения, выносимые на защиту:

- внутренняя макроструктура древесины круглого лесоматериала, характеризуемая шириной и расположением годичных слоев, находится в тесной связи с морфометрическими характеристиками лиственничного кряжа;

- морфометрические характеристики лиственничного кряжа позволяют вы-

брать схему продольного раскроя кряжей с максимальным выходом строганого шпона радиальной текстуры;

Научной новизной обладают:

• математико-статистические модели, описывающие соотношения размеров макроструктурных элементов древесины и шероховатости поверхности шпона при различном направлении движения резания;

• методика объективного определения вида строганого шпона, 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:

Для практического применения имеют значение:

- обоснование формирования строганого шпона из лиственницы, обладающего минимальными значениями и стабильной шероховатостью, при осуществлении продольного строгания заготовок;

- программный комплекс автоматизированного расчета объемного выхода и идентификации вида строганого шпона.

Внедрение результатов в производство позволит:

- увеличить объемы вовлечения древесины лиственницы в переработку;

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 положительными результатами промышленной проверки.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Х1-Й Международной научно-технической конференции «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития» (Брянск, 2011 г.), на УП-м международном

евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» (Екатеринбург, 2012), на 1Х-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 Ш-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 П-й Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические вопросы развития научной мысли в современном мире» (Уфа, 2013 г.), на УН-м конкурсе-конференции научных работ молодых ученых ТОГУ (Хабаровск, 2013); на XVI Краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов (Хабаровск, 2014).

Похожие работы

Технология, машины и оборудование лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева
05.21.00