автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы и средства таможенного контроля плотности древесины

На правах рукописи

СИМОНЕНКО Антон Анатольевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ТАМОЖЕННОГО КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005555587

Санкт-Петербург - 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Павлов Игорь Валерьевич

Официальные оппопенты:

Афонин Пётр Николаевич - доктор технических наук, доцент, Санкт-Петербургский имени В.Б. Бобкова филиал ГКОУ ВПО «Российской таможенной академии», кафедра технических средств таможенного контроля и криминалистики, профессор, и.о. заведующего кафедрой

Коновалов Сергей Ильич - кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)», кафедра электроакустики и ультразвуковой техники, доцент

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 08 октября 2014 года в 16 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия д.2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru

Автореферат разослан 11 июля 2014 года

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

Фокин Ацдрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Российская Федерация является одной из крупнейших стран заготовителей и экспортёров лесопродукции. Активная интеграция России в мировую торговлю требует совершенствования таможенного администрирования. Утверждаются новые федеральные законы, программы и распоряжения, направленные на развитие внешнеэкономической деятельности. Неуклонно растут объемы контролируемых на границе грузов и при этом сокращаются сроки проведения таможенных операций и таможенных процедур.

При экспорте лесоматериалов в документах на груз указываются значения основных параметров древесины, таких как наименование пород, объем, масса, габариты, влажность и, зачастую, плотность как одно из важных для целлюлозно-бумажной промышленности значений. Для контроля всех параметров лесопродукции, за исключением плотности, таможенные органы располагают необходимым набором технических средств таможенного контроля и методик измерений. При этом определение плотности древесины осуществляется на основе табличных методов или в соответствии с ГОСТ 16483.1-84 «Древесина. Метод определения плотности». В свою очередь табличные методы не гарантируют точность измерений, а измерения по ГОСТу требуют соответствующих условий и больших временных затрат. Необходимо отметить, что в некоторых случаях, измерение плотности древесины может быть единственным способом для определения объема груза при условии наличия весов. И наоборот, в случае их отсутствия, но при возможности определения объема, значение плотности позволяет рассчитать массу груза, что немаловажно, особенно, при железнодорожных перевозках. Одним из важнейших достоинств плотности, как показателя качества древесины, является ее универсальность. Так, например, плотность древесного сырья определяет важнейший экономический показатель - выход целлюлозы, также она дает представление о механических свойствах древесины, что можно использовать для прочностной сортировки пиломатериалов. Таким образом, для объективной оценки задекларированных данных и качества лесопродукции, наряду с определением породы, объема и влажности древесины необходимо определять её плотность.

Опыт показывает, что внедрение современных технологий способствует повышению эффективности таможенного контроля и предупреждает

нарушения таможенного законодательства. В связи с этим, актуальность работы обусловлена необходимостью решения практических задач по оперативной, в полевых и промышленных условиях, оценке плотности древесины, с целью выявления нарушений таможенного законодательства, что поспособствует повышению эффективности таможенного контроля лесо-продукции, экспортируемой с территории Российской Федерации.

Степень разработанности. Работы по исследованию основных физико-механических характеристик древесины проводили Ю.М.Иванов, В.А.Баженов, Ф.Ф.Садовский, А.А.Рабинович, Н.Ф.Гусев, Н.И.Миронов,

A.Н.Митинский, Л.М.Перелыгин, О.И.Полубояринов, Б.Н.Уголев, Е.К.Ашкенази, В.Д.Никишов, А.М.Боровиков, А.С.Сапожников,

B.В.Тулузаков, А.Н.Кириллов, В.Н.Вольшский и др. Работы в области применения ультразвуковых методов для контроля древесины и изделий из неё проводили Б.КЛакатош, Ю.К.Сергиенко, В.И.Яковлев, А.И.Горбунов, В.И.Федюков, Ф.ФЛегуша, А.А.Ерофеев, С.В.Скрипец, А.А.Ефимов, П.М.Мазуркин, Б.А.Староверов, Е.В.Саликова, Е.Б.Темнова, А.Н.Чубинский, А.А.Федяев, ИЛЛиманов и др.

Проанализировав работы вышеперечисленных авторов можно сделать вывод, что пристальное внимание в основном уделяется вопросам разработки эффективных методов неразрушающих испытаний применительно к сортировке пиломатериалов по прочности и к выявлению пороков и дефектов древесины на поточной линии. При этом решений по достоверной оценке плотности лесопродукции, подходящих для применения в условиях проведения таможенного контроля, не реализовано.

Цель и задачи исследования. Разработать методы и средства таможенного контроля плотности древесины в широком диапазоне влажности. В рамках реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Исследовать зависимости параметров акустических колебаний, распространяющихся в древесине, от её плотности, породы и влажности, с учётом времени и места заготовки древесины, и установить возможность контроля плотности древесины по акустическим параметрам;

2. Теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность определения плотности древесины в условиях таможенного кон-

троля с применением низкочастотного ультразвукового метода и метода свободных колебаний;

3. На основании проведённых экспериментальных исследований разработать методы и средства таможенного контроля плотности различных пород древесины в широком диапазоне влажности;

4. Разработать прикладное программное обеспечение в основу функционирования которого должны быть положены результаты практического применения разработанных методов и средств, а также дать рекомендации по их применению в таможенной практике.

Идея работы. Установление корреляционных зависимостей между плотностью древесины различных пород в широком диапазоне влажности, вычисленной классическим методом по результатам измерения массы и объема, и приведенной скоростью распространения акустических волн, а также скоростью распространения ультразвуковых колебаний позволит разработать новые методы контроля плотности древесины. Новые методы и средства повысят эффективность таможенного контроля лесо- и пиломатериалов, а их применение с использованием персонального компьютера автоматизирует оформление результатов, что усовершенствует систему таможенных операций при комплексной оценке основных параметров лесопро-дукции.

Научная новизна:

1. Установлены зависимости, учитывающие влияние влажности различных пород древесины на результаты определения плотности древесины акустическими методами контроля, на основе которых построены гра-дуировочные зависимости «плотность древесины - скорость ультразвуковых колебаний», а также «плотность древесины - приведённая скорость распространения акустических волн» в широком диапазоне значений массовой доли влаги для различных пород Северо-Западного, Южного и Сибирского регионов.

2. Разработаны методы и средства неразрушающего контроля плотности древесины в широком диапазоне влажности с применением низкочастотного ультразвукового метода и метода свободных колебаний, которые учитывают условия проведения таможенного контроля лесо- и пиломатериалов.

Теоретическое и практическое значение работы. Установленные на основании обработки и регрессионного анализа статистических данных по определению плотности и акустических характеристик образцов древесины зависимости между плотностью древесины и приведенной скоростью распространения акустических волн, а также между плотностью древесины и скоростью распространения ультразвуковых колебаний расширяют область применения низкочастотных акустических методов контроля.

На основе экспериментальных исследований разработаны и аттестованы методы определения плотности лесо- и пиломатериалов в широком диапазоне влажности, включающие в себя градуировочные зависимости для наиболее часто предъявляемых к таможенному контролю пород древесины.

Результаты диссертационной работы используются в таможенных органах Российской Федерации при таможенном контроле лесо- и пиломатериалов лиственных и хвойных пород древесины, а также могут быть использованы в лесозаготовительной и лесоперерабатывающей отраслях.

Методология и методы исследований. Исследования проводились с использованием современных методов и средств научного поиска, опираясь на базовые положения науки о древесине, методов акустического контроля и статистических методов обработки экспериментальных данных. В работе использован системный подход с применением методов планирования, моделирования, анализа и обработки информации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Значения скорости распространения ультразвуковых колебаний и приведённой скорости распространения акустических волн, полученные при последовательных измерениях влажности и плотности древесины, с достаточной точностью описываются математической моделью в виде регрессионного уравнения, что позволяет построить градуировочные зависимости «плотность-скорость» для различных пород древесины в широком диапазоне влажности;

2. Градуировочные зависимости «плотность-скорость», установленные с применением метода свободных колебаний и низкочастотного ультразвукового метода продольно-поперечным способом прозвучивания, обеспечивают достаточно точное определение физически усреднённых значений плотности древесины различных пород в широком диапазоне влажности;

3. Разработанные методы и средства определения плотности древесины учитывают условия применения и принципиально отличаются от классической реализации существующих методов возможностью в короткий промежуток времени объективно оценить значения плотности лесо- и пиломатериалов в широком диапазоне влажности без необходимости их перемещения или изготовления контрольных образцов.

Достоверность научных результатов (защищаемых положений) подтверждена значительным объемом экспериментальных данных, хорошей сходимостью и воспроизводимостью результатов измерений, а также положительными результатами опытной эксплуатации и внедрением в таможенную практику.

Реализация работы. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований создан модуль определения плотности древесины с аккредитованными методиками измерений, который входит в состав многофункциональных приборов таможенного контроля лесопродукции, принятых на снабжение таможенных органов России.

Личный вклад автора: анализ разработанности темы, обзор средств измерений, разработку общей и экспериментальной методик исследований с последующей оценкой и обоснованием полученных результатов автор выполнил самостоятельно. Проведение экспериментов, полевых работ, аттестационных мероприятий и опытно-промышленных испытаний осуществлялось с непосредственным участием автора.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIII международной научно-практической конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Анализ и прогнозирование систем управления» (Санкт-Петербург, 2012), 2-й международной научно-практической конференции «Современное машиностроение, наука и образование» (Санкт-Петербург, 2012), XIX международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2013) и на П международной научно-практической конференции «Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении» (Санкт-Петербург, 2014).

Получен патент № 2 449265 Российская Федерация, МПК G01N 29/07 «Способ и устройство определения плотности древесины».

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России.

Сгруюура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка терминов, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 194 страницах машинописного текста, включая 35 рисунков, 42 таблицы и список литературы из 122 наименований.

Во введении приведено обоснование актуальности выбранной темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследования, отражена научная новизна, изложены сведения об апробации и показана практическая ценность работы.

В первой главе выполнен анализ современных методов определения плотности древесины и степень разработанности темы в области применения акустических методов контроля лесопродукции. Рассмотрены особенности таможенного контроля лесоматериалов с применением технических средств.

Во второй главе определены требования к методам и средствам таможенного контроля плотности древесины, представлены результаты предварительной оценки методов с выбором оптимальных параметров и аппаратуры.

В третей главе приведены результаты экспериментальных исследований по выявлению корреляционной зависимости между плотностью древесины и скоростью распространения акустических колебаний.

В четвёртой главе уточняются условия выполнения измерений и оценивается соответствие разработанных методик требованиям к показателям точности с оценкой суммарной погрешности измерений. Приводятся результаты реализации методов в виде программного обеспечения.

В пятой главе рассмотрены основные правонарушения при экспорте лесоматериалов и приведены результаты применения разработанных методов и средств в таможенных органах.

В заключении представлены основные научные и практические результаты исследований в соответствии с целью и поставленными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Значения скорости распространения ультразвуковых колебаний и приведенной скорости распространения акустических волн, полу-

ченные при последовательных измерениях влажности и плотности древесины, с достаточной точностью описываются математической моделью в виде регрессионного уравнения, что позволяет построить градуировочные зависимости «плотность-скорость» дня различных пород древесины в широком диапазоне влажности

Поскольку определение плотности бревен классическим методом по результатам измерения массы и объема в реальных условиях процесс достаточно трудоемкий и длительный, перед нами была поставлена задача по разработке методов неразрушающего контроля лесопродукции в реальных условиях, в том числе без специальных перемещений отдельных бревен для процедуры измерений, т.е. контроль в штабеле с доступом к верхнему ряду и/или к торцам. Наиболее подходящими для решения поставленной задачи являются акустические методы контроля, а именно низкочастотный ультразвуковой метод и метод свободных колебаний. Аппаратура, реализующая эти методы безопасна для пользователя и обладает небольшими массогаба-ритными характеристиками, что позволяет их использовать в оперативных полевых условиях.

При использовании импульсного ультразвукового метода производится измерение времени и мкс, прохождения импульсом ультразвуковых колебаний (УЗК) расстояния между излучателем и приемником и определение скорости распространения продольных упругих колебаний в сплошной среде Сое, м/с, которая связана с константами упругости материала. Выражение справедливо для изотропного материала, однако может быть также использовано для оценки действующих (эффективных) модулей материалов с анизотропией свойств.

При использовании метода свободных колебаний измеряется частота собственных колебаний (ЧСК) изделия, соответствующая определенному виду колебаний, затем рассчитывается приведенная скорость распространения акустических волн (стержневая скорость звука, О). По предварительно установленным корреляционным зависимостям определяются необходимые физико-механические свойства. Параметр С/ является весьма информативным, и в ряде случаев достаточно полно характеризует физико-механические свойства изделий, определяющие их поведение при эксплуатации.

Как показал анализ литературы применительно к древесине, параметры С» и С( связаны с такими важными физико-механическими свойствами как плотность, прочность и упругие свойства. Кроме того, на параметры существенное влияние оказывает влажность контролируемых образцов. Таким образом, эти параметры могут быть использованы в качестве комплексных параметров, характеризующих физико-механические свой-

ства контролируемых изделий, либо - в сочетании с контролем влажности -для интегральной оценки плотности.

Для исследований были взяты от 4 до 7 образцов в исходном состоянии свежеспиленных неокоренных бревен (берёза, бук, граб, дуб, ель, кедр, ольха, осина, пихта, сосна, ясень) каждого вида древесины длиной порядка 5 и 6 м. На всех образцах на различных переделах определялись следующие характеристики: размеры; масса; плотность; скорость распространения продольных УЗК Со в различных направлениях и различных областях образцов (прибор «Пульсар-1.2»); интегральные значения скорости акустических волн С/ по результатам измерений частот собственных изгибных и продольных колебаний (прибор «3вук-203м»); влажность образцов с применением приборов, реализующих кондукгометрический метод контроля (прибор вМН 3850), а также в соответствии с ГОСТ 16483.7-71и сГОСТ 16588-91.

Как известно, значения С«, являются величиной локально-интегральной и могут служить оценкой анизотропии физико-механических свойств древесины в различных направлениях: по оси образца, т. е. вдоль волокон - Сц ж, а также перпендикулярно направлению волокон по диаметру ствола - Сьо. Для оценки возможной неоднородности свойств образцов измерения проводились в нескольких областях бревен по их длине и в нескольких направлениях по диаметру в указанных плоскостях. При сквозном прозвучивании измерения проводились в двух взаимно перпендикулярных направлениях по диаметру в каждой области по длине бревна.

Определение скорости С±х и С|оо распространения УЗК по результатам измерения времени распространения ультразвука выполнялось по одной из стандартных методик с расположением датчиков с конусными насадками, учитывающими особенности и анизотропию объекта контроля (Рисунок 1).

При этом схема Рисунок 1а реализовывалась во всех областях по длине объектов контроля в двух взаимно перпендикулярных направлениях С±То м/с, по формуле

Сюо = Дср/Т'г' (!)

где Др - средний диаметр бревна, мм;

7/- время распространения ультразвука, мкс.

Схема Рисунок 1в реализовывалась аналогично со схемой а. Схема Рисунок 16 реализовывалась при измерениях на расстоянии 0,25 1,0 м от торцов объектов контроля с расположением датчиков по центру торца и по диаметру как иллюстрирует Рисунок 2 а, б.

Определение скорости распространения УЗК, СугпцооиСуп1да,,м/с, при угловом прозвучивании производилось по формулам

СКВОЗНОЕ

Ч. '

л'ЛЛЛ <ЦР

Г 1:1 • *

( 0 1 * ^ )

УГЛОВОЕ Г

Г к/у:::. " О * о • -

ПОВЕРХНОСТНОЕ

С ч г О

а)

б)

в)

Рисунок 1 - Расположение преобразователей прибора «Пульсар-1.2» относительно объекта контроля при различных стандартных способах прозвучивания - а) сквозное; б) угловое; в) поверхностное

тг шг

у у

Г Г Г Г

а) б)

Рисунок 2 - Расположение преобразователей прибора «Пульсар-1.2» при продольно-поперечном прозвучивании

тг

тт

а)/п

пр

б)/из,

Обозначение: 1- отдельно расположенный объект контроля, 2 - микрофон, 3 - специальные опоры шириной не более 100 мм и длиной не менее 100 мм (деревянные или пофытые слоем резины толщиной 100-120 мм), расположенные на расстоянии ~ 0,25 Ь от торцов, —стрелкой показано место и направление удара

Рисунок 3 - Схема расположения объекта контроля при измерении ЧСК продольных и изгибных колебаний

К1

Рисунок4-Схемарасположения преобразователей при продольно-поперечном про-

звучивании

Рисунок 5 - Измерение ЧСК бревна прибором «3вук-203м»

Суглц = л](/?т2 + ^)/7f, (2)

где /?т - радиус торца бревна, м; U - расстояние от торца, м;

Суглд = J (От2 + L})/Ti, (3)

где DT - диаметр торца бревна, м.

При анализе неоднородности свойств образцов учитывалось наличие у некоторых из них дефектов типа трещин или сучков. Наличие таких дефектов может приводить к изменению скоростей Сх и Q как в отдельных областях, так и по всему образцу в целом, что вносит дополнительные погрешности в результаты измерений.

При исследовании отдельно расположенных образцов (вне штабеля) акустическим методом по результатам измерений ЧСК и приведенной скорости распространения акустических волн Q их устанавливали на опорах или складировали без специальной установки на ровной жесткой поверхности (на поддонах, деревянном настиле и т.п.). Схема расположения объектов контроля при измерении ЧСК продольных колебаний /щ, иллюстрирует Рисунок За, при измерении ЧСК изгибных колебаний/^ Рисунок 36.

При измерениях продольных колебаний использовались только две нижние частоты f„p\ и fn¡д, для которых значение коэффициента формы в формуле

ft = Ft Сi, (4)

где/-ЧСК определенного вида г;

F, - коэффициент формы, зависящий от формы и размеров изделия, вида возбуждаемых колебаний и коэффициента Пуассона;

(5)

где Е— модуль нормальной упругости;

р- плотность; определяется выражениями

= 1/21 , (6) = 7/, > (7)

где длина изделия, м.

Расчет С/ по результатам измерения ЧСК продольных колебаний длинных стержней, к которым можно отнести стволы дерева, с достаточной точностью производился по формулам

Ci — 2L/npi,

Q = ¿/np2 •

(8) (9)

Следует отметить, что при установке отдельно расположенных объектов контроля /юз измерялась устойчиво, а в штабеле измерения find провести не удалось. Полученные значения соотношения Cl(fmй) / Clfjnpi) подтвердили предположение, о том, что ЧСК изгибных колебаний больше зависят от свойств в радиальном направлении, а ЧСК продольных колебаний - от свойств древесины вдоль ствола

В результате обработки и корреляционного анализа статистических данных по определению плотности классическим методом и акустических характеристик образцов древесины были построены уравнения регрессии «Плотность - Скорость» («р - С||оо» и «р - Ci») для двух интервалов характеристик, соответствующих характеру изменения плотности в зависимости от влажности.

На основе установленных регрессионных уравнений были построены градуировочные зависимости, которые легли в основу новых разработанных и аттестованных методик измерений плотности древесины. Построенные градуировочные зависимости, представляют собой кусочно-линейные зависимости. Кусочный характер связан с различным характером изменения свойств древесины в процессе хранения и сушки и условно соответствует сырой древесине (лесоматериалы), имеющей влажность от 100 до 30 %, и высушенной древесине (пиломатериалы) с влажностью менее 30 %.

2. Градуировочные зависимости «плотность-скорость», установленные с применением метода свободных колебаний и низкочастотного ультразвукового метода продольно-поперечным способом прозвучива-ния, обеспечивают достаточно точное определение физически усреднённых значений плотности древесины различных пород в широком диапазоне влажности

В рамках аттестации разработанных методов были рассчитаны коэффициенты корреляции и произведена оценка значимости уравнений регрессии в целом, а также отдельных параметров регрессии и коэффициента корреляции с помощью F-критерия Фишера и /-критерия Стьюдента. Обработка выполнялась в программе Excel в пакете «Анализ данных». Для всех зависимостей установлены доверительные границы суммарной погрешности результатов измерений. При проверке соответствия показателей точности результатов измерений и способов обеспечения достоверности измерений показатели точности определения плотности оценивались, как доверительные границы суммарной погрешности результатов измерений по РМГ 29-

99. Принимается, что результаты единичных наблюдений плотности и скорости звука подчиняются нормальному закону распределения; для определения доверительных границ погрешности результатов принята доверительная вероятность Р = 0,95. Доверительные границы случайной погрешности результата измерений вычисляются как где ? (Р,п) - коэффициент Стьюдента для числа степеней свободы (;?-/) и доверительной вероятности Р (из таблицы распределения Стьюдента), среднеквадратиче-ское значение случайной составляющей погрешности. В нашем случае была принята вероятность Р=0,95, число измерений /7=10, г = 2,262.

Для наглядности следует частично представить результаты измерений, например, полученные методом сквозного прозвучивания для дуба, которые отражает Таблица 1.

Таблица 1 - Построение градуировочной зависимости «р - С\-г» для дуба

Номер п/п

Вид образца

Скорость, м'с

Плотность, кг/и'

Зависимость плотности древесины (порода дуб) от скорости распространения ультразвуковых колебаний

10

бревно ноонор

М30

3740

4410

3560

3620

2910

3160

4630

5050

4830

957

852

770

935

935

970

970

724

724

724

у = -0,1434х + 1420,1 -R2 - 0,9366

600

2400 3400 4400 5400 Скорость С|х, м/с

Показатели точности определялись на основании серии результатов измерений при условиях: одним методом в одинаковых (неизменных) условиях — одинаковое время, один оператор, по одному экземпляру использованных средств измерений, на одном и том же образце объекта исследований (сходимость); одним методом, в разных условиях - разное время, разные операторы, разные экземпляры используемых средств измерений, на одном образце объекта исследований (воспроизводимость).

Пример установленных уравнений регрессии иллюстрируют Таблица 2 и Таблица 3, где результат измерений плотности в виде абсолютного отклонения записывается как

Апм=Р±До, (Ю)

где Ар - ширина доверительного интервала для уравнения регрессии.

Относительные границы интервала, в котором с вероятностью 0,95 находится погрешность определения плотности рассчитывались по формуле

бр = ±Ш-Ар/р%. (И)

С учетом того, что ширина доверительного интервала является постоянной величиной, а значение р изменяется в среднем в 1,5 раза относительные границы интервала оказываются переменными.

Так, например, для определения плотности дуба по результатам измерения С||х методом сквозного прозвучивания получены следующие зависимости:

для бревен неокоренных, окоренных и пиломатериалов в диапазоне плотности р от 1000 до 820 кг/м3 при абсолютной влажности Щ^с от 70 до 40 % (соответственно относительной влажности Жлн от 43 до 28 %)

р= -0,143-С\\х+1420.

Неисключенная систематическая погрешность результата измерений 0 при (Р = 0,95) с учетом того, что воспроизводимость (близость результатов измерений, полученных разными средствами и разными операторами) в одних и тех же условиях измерения на одном объекте не превышает 0,02 % составила 2,6 %.

Среднеквадратическая погрешность суммы неисключенных систематических погрешностей при равномерном распределении с учетом того, что воспроизводимость не превышает 0,02 % равна 1,4 %.

Интервал для среднеквадратического значения случайной составляющей погрешности 5Ф с учетом того, что воспроизводимость не превышает 0,02% составил (3,5...4,4) %. Ширина доверительного интервала для уравнения регрессии "р - Сц," Дрдов = 80 кг/м3.

Таким образом, З^е > 2,6 % и, соответственно, доверительные границы суммарной погрешности результатов измерений определения плотности всегда определяются случайной составляющей погрешности, то есть шириной доверительного интервала уравнения регрессии До = ±80 кг/м3, что составляет Ар/р = 8,0 % при Щ,&= 70 % и Ар/р = 9,8 % при Х\?авс= 40%.

Аналогичные расчеты произведены для каждой исследуемой порода древесины. Для наглядности Таблица 2 отражает установленные гра-дуировочные зависимости «р - С|х» для берёзы, а Таблица 3 «р - С;» для

ели сибирской. При этом Сц» вычисляется по формуле (12) в соответствии со значением Кп из таблицы, установленным для соотношения КО = 80 мм и КЬ = 500 мм, а С; вычисляется с учетом формы, геометрических размеров изделия и выбранного рабочего типа колебаний путем расчета по формулам (8) и (9).

Таблица 2 - Градуировочная зависимость с уравнением для расчёта плотности лесо- и пиломатериалов по значениям Сц»

Порода древесины

Интервал

К

Уравнение для расчета плотности - брёвна с корой и без коры, пиломатериа-_лы, кг/м3_

Градуировочная зависимость

Береза

от 10 до 100

р = (-0,554 С |*> +3629) ±40

"г 1100

1050

■м 1000

н 950

о 900

н 850

ч С 800

750

700

650

600

N У - -0,5 54х + 3629 1

ч 1

\ к N Ч 1

N ^Ч Ч 1

ч ^Ч 1

N > ч .4 1

С »

!

1

4650 4750 4850 4950 5050 5150 5250 5350

Таблица 3 - Градуировочная зависимость с уравнением для расчёта плотности лесо- и пиломатериалов по значениям С/

Порода древесины

Интервал

№¿¿70

Виц

Уравнение для расчета плотности, кт/м'

Градуировочная зависимость

ог5 до 30

от 30 до 100

И

45 £

з &

£ из

р=(-0,124 О +1025) ±20

р = (-02670+1767) ±35

. 850 ; 800 ¡,750 ; 700 | 650

; боо

: 550 ' 500 450 400 350

У = -0,2 57х + 176' 4

х.

V

ч.

у = -0,124х + 1025

3700 3950 4200 4450 4700 4950

3. Разработанные методы и средства определения плотности древесины учитывают условия применения и принципиально отличаются от классической реализации существующих методов возможностью в короткий промежуток времени объективно оценить значения плотности лесо- и пиломатериалов в широком диапазоне влажности без необходимости их перемещения или изготовления контрольных образцов

По итогам исследования зависимости «плотность древесины - скорость распространения УЗК» был разработан метод определения плотности древесины по результатам измерений времени распространения УЗК, а также были запатентованы способ и устройство определения плотности древесины продольно-поперечным прозвучиванием.

Согласно разработанному методу вначале производятся измерения относительной влажности образцов древесины влагомером по ГОСТ 1658891. Затем при помощи графиков зависимости «Ж&-Жлп» определяется значение абсолютной влажности Затем измеряется скорость распространения УЗК в лесо- или пиломатериалах с использованием схемы углового (продольно-поперечного) прозвучивания (в условиях складирования и транспортирования. Контроль лесоматериалов производится с использованием специальных насадок (концентраторов) на преобразователях, пиломатериалы могут контролироваться как с применением насадок, так и без них.

Преобразователи устанавливаются на контролируемый образец с углублением насадок в древесину на 1-3 мм в соответствии со схемой которую иллюстрирует Рисунок 4. Максимальная постоянная база (КЬ = 50 см) расположена вдоль волокон древесины от торца контролируемого образца. Минимальная база (КО = 8 см) выставляется на торцевой поверхности в зависимости от вида материала по направлению диаметра бревна или ширины пиломатериалов. Преобразователи должны быть ориентированы перпендикулярно поверхности контролируемого образца. Размещение преобразователей может фиксироваться с использованием специальных приспособлений. Преобразователи прибора «Пульсар» для измерений устанавливаются в места крепления приспособления жестко и не подлежат перемещению.

Длина базы между преобразователями Ц для расчета скорости УЗК определяется как гипотенуза прямоугольного треугольника с катетами КЬ и КО по результатам измерения расстояния между преобразователями. Расчет скорости УЗК производится по результатам измерения времени и длины базы измерений. После получения устойчивых показаний прибора производится отсчет времени распространения УЗК и повторяются измерения времени (скорости УЗК) в выбранной области контроля 2-3 раза Показания

при последовательных измерениях не должны отличаться на значение, превышающее 3 мкс при измерении времени распространения УЗК или 50 м/с при измерении С, (контроль сходимости результатов измерений). Область кошроля меняется путем изменения расположения преобразователей поворотом относительно центра торца примерно на 90°. За результат измерения скорости УЗК принимается среднее значение.

Для получения нормированного значения скорости УЗК (Сц*,) вводится поправочный коэффициент К„, зависящий от величины размера KD.

Значение Сц »рассчитывается по формуле

С||ао — Сугл.иЗМ / ^П, (12)

где Сугл.Шм - значение скорости УЗК,

Кп — коэффициент, учитывающий анизотропию свойств в продольном и радиальном направлении (Сь» / Сц«,), зависящий от соотношения KD/KL.

Значения К„ экспериментально устанавливаются для конкретных пород древесины. После получения нормированного значения скорости УЗК определяется значение плотности образца по результатам измерения скорости УЗК при помощи градуировочной зависимости «р - С|х» для соответствующей породы древесины с учетом результатов измерения влажности.

По итогам исследования зависимости «плотность древесины - скорость распространения акустических волн» был разработан метод определения плотности древесины по результатам измерений частот собственных колебаний. Определение значения плотности древесины производится при помощи градуировочной зависимости «р - Q» по результатам измерения ЧСК и расчета скорости С/ для соответствующей породы древесины с учетом результатов измерения влажности.

Измерения производят на образцах без видимых глазом дефектов. Огбор образцов лесоматериалов из неразобранного штабеля производится произвольно исходя из удобства доступа для выполнения измерений или поштучно при раскатывании из штабеля. Отбор образцов бруса и досок производится произвольно, поштучно из штабеля. При измерениях отдельно расположенных образцов (вне штабеля) их устанавливают на опорах (Рисунок 3), или складируют без специальной установки на ровной жесткой поверхности (на поддонах, деревянном настиле и т.п.). Далее измеряются длины образцов и определяется их относительная влажность по ГОСТ 16588-91 с последующим установлением значений абсолютной влажности Wa& при помощи графиков зависимости «WarK-VV(mi». Затем определяется скорость распространения акустических волн С/ с помощью прибора «Звук-203М», для чего в режиме ввода исходных данных устанавливаются время задержки перед измерением - 5 мс и номер поддиапазона в зависимости от измеренной длины контролируемого образца.

Затем необходимо прибор перевести в режим измерения, поднести микрофон к торцовой поверхности образца на расстояние порядка 10 мм и не касаясь ее, в области (Рисунок 3), произвести измерение скорости С/ (частоты типа/пр\ или /трг), для чего нанести ударником (молоток весом не менее 0,5 кг) удар в центре торцовой грани бревна (образца пиломатериала) в направлении, перпендикулярном поверхности (Рисунок 5), и зафиксировать показание прибора. Допускается наносить удар и производить прием колебаний микрофоном как с одной, так и с противоположной стороны (торца). Далее необходимо повторить удар.

Показания при двух последовательных ударах должны отличаться на значения, не превышающие в режиме индикации скорости С/ ± 50 м/с (контроль сходимости результатов измерений). При этом реальное врет (число импульсов) измерения в процентах от заданного должно быть не менее 80 % (контроль достоверности результатов измерений). В случае выполнения условий, за результат измерения принимается величина отсчета (наблюдения) по прибору, полученная при втором ударе. Если различия превышают указанные значения, или реальное время (число импульсов) измерения в процентах от заданного менее 80 %, необходимо изменить номер поддиапазона и повторить операции. При повторном получении различий, превышающих указанные, необходимо проверить контролируемый образец на наличие дефектов, например, трещин, гнили и т.д., а также произвести автотестирование прибора путем его выключения и повторного включения.

Частотный коэффициент формы р1 в зависимости от размера (длины) и рабочего вида колебаний рассчитывается по формулам (6) и (7). Следовательно, определение приведенной скорости распространения акустических волн С; с учетом формы, геометрических размеров изделия и выбранного рабочего типа колебаний производится путем расчета по формулам (8) и (9). Далее производится запись результатов измерений в протокол (память прибора) и определяется значение плотности образца при помощи градуиро-вочной зависимости «р - С;». Корреляционная связь (градуировочная зависимость) «р - О» устанавливается предварительно, на основании экспериментальных данных д ля каждого вида древесины в определенном диапазоне значений массовой доли влаги. Результаты определения плотности всех образцов из выборки, усредняются и присваиваются всей представленной партии при условии, если размах полученных на выборке значений плотности не превышает 20 % (контроль однородности партий). В случае превышения указанного размаха принимается решение либо о неоднородности партии, либо о необходимости повторных измерений с увеличением выборки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований была решена актуальная научно-практическая задача. Обоснована техническая возможность, применения низкочастотных акустических методов контроля для достаточно точной оценки плотности лесопродукции, путем применения низкочастотного измерителя времени ультразвуковых колебаний и измерителя частот собственных колебаний.

Основные научные и практические результаты исследований:

1. Исследованы зависимости параметров акустических колебаний, распространяющихся в древесине, от её плотности, породы и влажности, с учётом времени и места заготовки древесины;

2. Установлены градуировочные зависимости «плотность-скорость» для различных пород древесины (Береза, Бук, Граб, Дуб, Ель европейская, Ель сибирская, Осина, Ольха, Орех, Пихта, Сосна, Сосна кедровая, Ясень) в широком диапазоне влажности;

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность определения плотности древесины в условиях таможенного контроля с применением низкочастотного ультразвукового метода и метода свободных колебаний;

4. Разработан и запатентован способ и устройство определения плотности древесины продольно-поперечным прозвучиванием - патент РФ 2 449 265, МПК СЮШ 29/07. «Способ и устройство определения плотности древесины»;

5. Разработаны методы и средства таможенного контроля плотности различных пород древесины в широком диапазоне влажности;

6. Разработано прикладное программное обеспечение в основу функционирования которого положены результаты практического применения разработанных методов и средств, а также даны рекомендации по их применению в таможенной практике.

По теме диссертации опубликованы следующие работы в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Симоненко, АА Определение плотности древесины с применением низкочастотного ультразвукового метода [Текст] / АА Симоненко, Е.З. Ковар-ская // Научно-практический журнал «Наука и бизнес: пути развития», №11(29). -М, 2013.-С. 44-50.

2. Симоненко, А.А. Построение градуировочных зависимостей для различных пород древесины с применением низкочастотного акустического метода свободных колебаний [Текст] // Научно-технический вестник Поволжья,

№6 2013г. - Казань: Научно-технический вестник Поволжья, 2013. - С. 422426.

3. Симоненко, А.А. Определение плотности древесины с применением низкочастотного акустического метода свободных колебаний [Текст] / АА Симоненко, Е.З. Коварская // Научно-технический журнал РОНКГД «Контроль. Диагностика», №2 (188). - М. - 2014. - С. 4349.

4. Пат. 2 449 265 РФ, МПК G01N 29/07. Способ и устройство определения плотности древесины [Текст] / Коварская Е.З., Черноглазое B.C., Воронин АА, Смирнова Е.В., Симоненко АА, Московенко И.Б.; заявитель и патентообладатель Санкт-Петербург, ЗАО «Научно-производственный центр «Инновационная техника и технологии». -№ 2010147336/28; заявл. 11.11.2010; опубл. 27.04.2012, Бюл. № 12. - 8 е.: ил.

В других изданиях:

5. Симоненко, АА Проблемы таможенного контроля при экспорте леса и возможности их решения [Текст] / АА Симоненко, ИВ. Павлов // Труды X Международной научно-пракгаческой конференции молодых ученых, студентов и аспирантов: «Анализ и прогнозирование систем управления» П ч., РАН Дом ученых в СПб.: СЗТУ, 2009. - С. 289-293.

6. Симоненко, А А Актуальные вопросы определения платности древесины при таможенном кошроле [Текст] / АА Симоненко, ИВ. Павлов // Анализ и прогнозирование систем управления: труды ХТТТ Международной научно-практической конференции молодых ученых, студентов и аспирантов -СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2012. - С. 566-572.

7. Симоненко, АА К вопросу о таможенном кошроле плотности древесины [Текст] / АА Симоненко, Е.З. Коварская // Вестник Белорусско-Российского университета,-2013.-№3 (40)-С. 67-73.

8. Симоненко, АА Платность древесины - обзор методов и новые способы определения [Текст] // Современные техника и технологии: сборник трудов XIX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 3 т. Т. 1 / Томский политехнический университет. - Томск: Идц-во Томского политехнического университета, 2013. - С. 194-195.

9. Симоненко, АА Метрологические трудности использования современных приборов и методов таможенного контроля лесоматериалов [Текст] // Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении: сборник трудов П международной научно-практической конференции. Том П // Под ред. Е.И Пряхина. Гл. ред. ИВ. Павлов. Отв. Ред. ДЮ. Тимофеев, ТА Менухова, АВ. Теренгьев - СПб: Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2014. - С. 188-191.

РИЦ Горного университета. 08.07.2014. 3.557. Т.100 экз. 199106 Санет-Петербург, 21-я линия, д.2