автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Метод отбора резонансной древесины ели в растущем состоянии

Марийский государственный технический университет

УДК 630*312.12:681.817.061.6:674.032.13

на правах рукописи

о

КОЛЕСНИКОВА Антонина Анатольевна

МЕТОД ОТБОРА РЕЗОНАНСНОЙ ДРЕВЕСИНЫ ЕЛИ В РАСТУЩЕМ СОСТОЯНИИ

05.21.05. Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; Древесиноведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, академик РАЕН П.М. Мазуркин

Йошкар-Ола 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..............................................................................................................5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДРЕВЕСИНЫ

1.1. Общие сведения................................................................................11

1.2. Методы изучения свойств древесины.............................................11

1.2.1. Разрушающие методы.............................................................12

1.2.2. Частично разрушающие методы.............................................13

1.2.3. Неразрушающие методы.........................................................13

1.3.Ультразвуковой метод.......................................................................16

г

1.4. Керн как объект исследования свойств древесины.........................17

1.5. Древесина для музыкальных инструментов....................................21

1.6. Акустические показатели древесины...............................................25

1.7. Основные выводы и задачи исследования........................................28

Глава 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ХАРАКТЕРИСТИКА ОПЫТНЫХ ОБЪЕКТОВ

2.1. Характеристика опытных участков леса.........................................31

2.2. Отбор модельных деревьев..............................................................32

2.3. Замер дендрометрических параметров и раскряжевка модельных деревьев на кряжи...............................................................................38

2.4. Камеральные исследования образцов древесины............................38

2.4.1. Подготовка образцов к испытаниям...................................38

2.4.2. Определение плотности древесины...................................40

2.4.3. Определение макроструктуры древесины.........................41

2.5. Методика ультразвуковых испытаний.......................................44

2.6. Выводы..........................................................................................50

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КЕРНА ДРЕВЕСИНЫ

3.1. Зависимость скорости ультразвука от диаметра керна...................52

3.2. Влияние длины образца со стандартным сечением на скорость ультразвука..........................................................................................53

3.3. Нестандартные прямоугольные образцы.........................................56

3.3.1. Скорость ультразвука в продольном направлении............56

3.3.2. Скорость ультразвука в радиальном направлении............62

3.4. Зависимость скорости ультразвука от длины керна...................63

3.5. Скорость звука по осям анизотропии..........................................67

3.6. Скорость звука по плоскостям анизотропии...............................69

3.7. Расположение керна в стволе дерева...............................................77

3.7.1. Особенности расположения керна.....................................77

3.7.2. Методика вычисления поправочного коэффициента........81

3.7.3 Поправка макроструктурных показателей керна...............88

3.8 Поправка скорости звука..................................:...........................90

3.9. Выводы..............................................................................;...........94

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ РАСТУЩИХ ДЕРЕВЬЕВ ЕЛИ

4.1. Изменение свойств древесины от времени сушки..........................95

4.2. Изменение свойств древесины кернов во время вегетационного периода...............................................................................................104

4.3. Изменение свойств кондиционированной древесины по радиусу ствола.................................................................................................114

4.4. Изменение влажности и плотности древесины по радиусу стволов в растущем состоянии.......................................................................121

4.5. Сертификация древесины на корню..............................................125

4.6. Индивидуальная подеревная сортиментация................................126

4.7. Особенности сертификации древесины с использованием кернов......................................................................................................131

4.8. Сертификация древесины в процессе лесозаготовок....................134

4.9. Выводы............................................................................................136

Глава 5. ОТБОР ДЕРЕВЬЕВ ЕЛИ ДЛЯ ЗАГОТОВКИ

РЕЗОНАНСНЫХ КРЯЖЕЙ

5.1. Сравнение акустических показателей керна с образцами прямоугольного сечения.............................................................................139

5.2. Результаты исследований древесины ели Кировской области на кернах.................................................................................................144

5.3. Анализ массового статистического материала..............................152

5.4. Оценка древостоя по плотности древесины..................................154

5.5. Показатель скорости звука для оценки древостоя........................162

5.6. Изменение скорости ультразвука от плотности древесины.........173

5.7. Показатель акустической константы.............................................176

5.8. Влияние формы ствола на акустические показатели....................184

5.9. Выводы............................................................................................194

Основные выводы и рекомендации.............................................................197

Список использованной литературы...........................................................201

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................................209

Приложение /.Справки, акты внедрения результатов работы.............209

Приложение 2. Характеристика объектов исследования

и результаты методических экспериментов..................................214

Приложение 3. Результаты экспериментальных исследований

по обоснованию параметров керна древесины............ .................221

Приложение 4. Результаты экспериментов по изучению сроков

извлечения кернов из деревьев ели...............................................238

Приложение 5. Примеры статистического моделирования

и расчетов в решающей среде «Эврика».......................................250

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Федеральная программа [68, 107] развития лесопромышленного комплекса Российской Федерации предусматривает увеличение объема заготовки деловой древесины с 92,0 (в 1995 году) до 232 млн.м3 (в 2005 году). В программу включены предложения по организации производства на отечественных предприятиях дефицитных в настоящее время, импортируемых, основных видов продукции из древесины. При этом валютную выручку от продажи лесной продукции намечено увеличить к 2005 году в три раза, а доля необработанной и несертифицированной древесины в структуре лесного экспорта к 2005 году должна быть снижена с 31% (1993г.) до 9%.

В программе намечен комплекс мероприятий государственной поддержки «организации технологий, позволяющих производить экспортную, импортную замещаемую и экологически чистую продукцию); и технического обновления всех отраслей лесопромышленного комплекса. Стратегическое направление перестройки лесопромышленного комплекса - опережающее развитие деревообработки и переработки древесины в основных районах лесозаготовок с целью исключения излишних работ по транспортировке, а также рационального использования заготовляемой древесины. Для повышения качественных характеристик лесопромышленной продукции одним из приоритетных направлений развития отрасли в программе определено внедрение и расширение сортиментной технологии заготовок древесины.

В связи с этой программой важное значение в лесной и деревообрабатывающей промышленности приобретает определение показателей свойств древесины у растущих деревьев без их разрушения.

В процессе лесозаготовок в лесу в основном заготавливаются сортименты общего назначения в виде пиловочника, балансов, дров и др. Сортировка древесины по назначению проводится в основном визуально или по общим таксационным характеристикам. Контроль за качеством древесины срезаемых деревьев и сортировка круглых лесоматериалов в спецсортименты не ведется.

Отсутствие в сортиментной структуре древостоя специализированных сортиментов приводит к низкой рентабельности работы не только лесозаготовительных и лесохозяйственных предприятий, но и деревообрабатывающих. В частности, древесина для изготовления музыкальных инструментов, считающаяся исключительно ценной, во все времена частично импортировалась. В отечественной лесоперерабатывающей промышленности эта древесина отбирается чаще всего среди готовых круглых лесоматериалов визуально, а контроль акустических свойств проводится на высушенных пиломатериалах по изготовляемым из них стандартным образцам. При таких методах оценки много ценной древесины может остаться в лесу или расходоваться не по назначению.

Созданием соответствующих методик контроля акустических свойств без разрушения объекта исследования и образцов древесины и сертификацией спецсортиментов на должном уровне до валки (или непосредственно после раскряжевки хлыстов в лесу) возможно увеличение объемов заготовки резонансных кряжей и рациональное использование всей заготавливаемой древесины. Кроме того, исключается экспорт пиловочника, из которого покупатель отбирает в дальнейшем резонансные кряжи, имеющие на мировом рынке на порядок большую цену. Разработка эффективной методики определения акустических свойств может обеспечить достаточно точное предварительное (до эксплуатации насаждения) выявление наиболее предпочтительных лесных насаждений по заготовке резонансной древесины.

Таким образом, существует потребность в создании способов и средств отбора деревьев непосредственно в лесу до их рубки, а также сортировки резонансных кряжей.

В связи с вышеизложенным, тема диссертации, ориентированная на разработку методики определения акустических показателей и отбора резонансной древесины традиционной породы ели в растущем состоянии, является актуальной. Она согласуется с планом НИР по современным проблемам древесиноведения «выявление количественных и качественных параметров основных лесообразующих пород Камско-Волжского региона как сырья для

целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности», а также задачами науки о древесине в будущем «в XXI веке усилия должны быть сосредоточены на совершенствовании коммерческой оценки лесов при устойчивом ведении хозяйства, развитии конкурентоспособных высококачественных древесных продуктов» [90].

Цель и задачи исследования. Целью работы является совершенствование технологических процессов заготовки и сертификации специализированных сортиментов, в частности резонансных кряжей для изготовления музыкальных инструментов, путем разработки методики контроля физико-механических свойств древесины ели на корню с помощью кернов древесины, извлекаемых из стволов растущих деревьев возрастным буравом Пресс-лера.

Для достижения этой цели были использованы известные методы исследования: из древесиноведения по определению физико-механических показателей древесины; из лесоведения и лесоводства по изучению формы ствола ели, таксационных параметров деревьев.

Объектами исследования являлись радиально ориентированные керны, извлекаемые возрастным буравом Пресслера из стволов растущих деревьев ели. Дополнительно для сравнительных экспериментальных испытаний были изготовлены стандартные образцы прямоугольной формы сечением 20 х 20 мм различных длин (по существующей методике отбора образцов для физико-механических испытаний древесины), образцы прямоугольной формы в виде резонансных дощечек, а также цилиндрические образцы из изотропного материала (пластилина).

Таким образом, тема диссертационной работы посвящена обоснованию параметров керна для комплексного изучения качества древесины растущих деревьев ели и охватывает технологические процессы от лесоустроительных работ до подготовительных к лесозаготовкам работ. При этом диссертационная работа прежде всего ориентирована на исследование деревьев ели, отобранных визуальными способами оценки качества для последующей валки и изготовления резонансных кряжей. Предлагаемая методика применима

от оценки растущего дерева ели до оценки в цехах первичной обработки древесины черновых заготовок для музыкальных инструментов.

Научная новизна. Исследованы размерные и структурные параметры кернов, извлекаемых из растущих деревьев ели, получены математические модели влияния параметров керна на физико-механические показатели древесины. Научной новизной также обладают: поправочные коэффициенты и уравнения для их расчета, учитывающие пространственное расположение керна в стволе дерева ели; методика отбора растущих деревьев в рубку и комлевых кряжей стволов для сертификации на акустические свойства древесины; математические модели изменения свойств древесины керна в зависимости от сезонного периода извлечения его из дерева; рекомендации по выбору рациональных режимов заготовки древесины для музыкальных инструментов.

Разработанная методика, с учетом специфики различных пород деревьев, может быть использована при контроле качества древесины других видов специализированных сортиментов: фанерного, лыжного, авиационного, ружейного, мачтового, ткацких челноков, в производстве клепки и др.

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций. Обеспечена широкими экспериментальными исследованиями, проведенными в различных насаждениях Кировской и Пермской областей, применением многофакторного регрессионного анализа, реализацией разработанных рекомендаций в условиях Майского ЛПХ Кировской области, Нолышнского УНПК Республики Марий Эл, Санкт-Петербургской НИИЛХ, а также использованием для сравнительных испытаний заготоовок (резонансных дощечек) из Санкт-Петербургской фабрики музыкальных инструментов.

Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований значимы для сортиментной и товарно-стоимостной таксации ельников в ходе лесоустройства и подготовки к лесозаготовительным работам, а также могут быть использованы при отборе кряжей специализированных сортиментов в ходе выполнения лесосечных работ и их заготовки при выборочной рубке деревьев (приисковые рубки).

Основные результаты диссертационного исследования были использованы при обследовании участков леса леспромхозов Кировской и Пермской областей, Нолькинского УНПК Республики Марий Эл, а также староосушен-ных болот Ленинградской области.

Методика анализа акустических свойств древесины на кернах с учетом изменяющихся значений их параметров внедрена в учебный процесс со студентами специальностей 2602 и 2601.

Получено положительное решение по заявке на изобретение "Способ испытания растущих деревьев".

Результаты исследования акустических свойств древесины, доложенные в МГУЛ на международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины - 96» были отмечены среди современных проблем фундаментального и прикладного древесиноведения [91, 92].

Место проведения исследований. Диссертация выполнена на кафедре технологии деревообработки Марийского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные материалы исследований докладывались и были одобрены на: международной конференции молодых ученых в г. Йошкар-Оле (1992г.); координационном совете по древесиноведению в г. Брянске (1994г.), г. Йошкар-Оле (1995г.); международных конференциях «Циклы природы и общества» в г. Ставрополе (1995, 1996, 1997 и 1988гг.); конференциях МарГТУ (1994-1998гг.); международном симпозиуме "Строение, свойства и качество древесины-96" в МГУЛ (1996г.), на региональной научно-практической конференции «Современные проблемы учета и рационального использования лесных ресурсов» в г. Йошкар-Оле (1998г.), на научно-практической конференции «Пути повышения эффективности лесного хозяйства и роль лесов в оздоровлении окружающей среды Республик Татарстан» в г. Казани (1998г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 28 статей, одна брошюра, подготовлен сборник из шести руководств по лабораторным работам.

Основные положения, выносимые на защиту;

- методика отбора деревьев на корню по акустическим свойствам для заготовки резонансных кряжей;

- закономерности изменения параметров керна и свойств древесины в зависимости от сезонности извлечения керна из дерева, а также оценки качества древостоя по плотности древесины и образующей ствола растущих елей;

- методика оценки точности приборов для контроля акустических показателей и макроструктуры древесины при её сертификации непосредственно в лесу;

- методические рекомендации по сертификации сортиментов при лесоустройстве и совершенствованию процесса заготовки резонансных кряжей в ходе выполнения лесозаготовительных работ в ельниках.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять разделов, основные выводы и рекомендации, список использованной литературы и приложения.

Общий объем работы 262 страницы, из них 137 страниц машинописного основного текста, 40 рисунков, 50 таблиц, 5 приложений (51 страница, 28 таблиц, распечатки расчетов на ПЭВМ). Список литературы содержит 128 наименований (из них 16 зарубежных источников).

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДРЕВЕСИНЫ

1Л. Общ�