автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Моделирование операций оценки качества и поперечного раскроя пиломатериалов

На правах рукописи

Задраускайте Наталья Олеговна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА И ПОПЕРЕЧНОГО РАСКРОЯ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

05.21.05 - Древесиноведение; технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 НОЯ 2013 005542141

Архангельск - 2013

005542141

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Копейкин Адольф Михайлович

Официальные оппоненты: Алексеев Александр Евгеньевич

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»,

профессор кафедры автоматики, робототехники и управления техническими системами

Шарапов Евгений Сергеевич кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», доцент кафедры деревообрабатывающих производств

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет леса»

Защита диссертации состоится 18 декабря 2013 г. в14 ич. на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, главный корпус, ауд. 1220

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке САФУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17

Автореферат разослан « /5» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Целью исследования является доказательство возможности моделирования качества пиломатериалов для выполнения операций сортировки и выбора варианта раскроя на заготовки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить ретроспективный анализ исследований посвященных изучению встречаемости пороков в пиловочном сырье и пилопродукции;

- разработать теоретическую модель доски, учитывающую её качество;

- установить взаимосвязь расположения пороков между поверхностями пиломатериала;

- оценить пиломатериалы по насыщенности пороками древесины;

- разработать методику выбора способа сортировки и раскроя пиломатериалов.

Объектом исследования является процесс оценки качества пиломатериалов при последующем его раскрое.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы были использованы методы математической статистики, теории графов, теории рангов и теории вероятностей. Для обработки экспериментальных данных использовался Microsoft Excel.

Научная новизна работы.

- впервые разработана секторно-круговая модель пиломатериала;

- представлена методика выбора способа раскроя пиломатериалов;

- предложена новая классификация пороков древесины, облегчающая построение систем автоматического опознавания дефектов;

- получены данные по взаимному расположению пороков на поверхностях пиломатериалов;

- установлена теснота связи расположения пороков на всех поверхностях пиломатериала.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- секторно-круговая модель пиломатериала;

- новая классификация пороков древесины;

установленные зависимости между поверхностями пиломатериала, насыщенного пороками древесины;

взаимосвязи расположения пороков между поверхностями пиломатериала;

- разработаны рекомендации для сортировки пиломатериалов по качеству.

3

Достоверность выводов и результатов исследований. Научные положения, выводы и рекомендации, изложенные в работе подтверждены теоретическими решениями и экспериментальными исследованиями.

Практическая значимость. Определяется внедрением в практику результатов исследований при разработке технологии глубокой переработке древесины и совершенствовании стандартов на пилопродукцию.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований будут использованы для разработки технологии глубокой деревообработки на предприятиях отрасли и для формирования информационных фондов по качеству лесоматериалов.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы развития дизайна и композиции художественных изделий» (Архангельск, 2010), международной научно-технической конференции «JlicoBe господарство Укра'ши: проблеми та перспективи» (Львов, 2011), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2011), научно-технической конференции «Наука и образование для лесопромышленного комплекса России» (Москва, 2012), международной молодёжной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу -творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2012), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов АГТУ -САФУ имени М.В. Ломоносова, 2010-2013 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть печатных работ, из них две по списку ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация содержит введение, четыре главы, выводы и рекомендации, список литературы. Объём работы: основного текста - 108 е., иллюстраций - 37, таблиц - 49, список литературы - 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна работы, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

: Исследованию качества посвящено большое количество работ. В первой главе представлен обзор и анализ работ, посвященных исследованию встречаемости пороков древесины на пиломатериалах.

Группа исследователей ЦНИИМОДа (П.Ф. Куроптев, В.П. Юницын, Г.М. Васькова, А.Л. Колодкина) изучала встречаемость пиломатериалов с различными пороками древесины и дефектами обработки. Проводилась паспортизация пиломатериалов трех сортов - бессортные, 4 сорт и 5 сорт, двух размеров по толщине: тонкие (22, 25 мм) и толстые (38, 50 мм) шириной 150 мм. Фиксировались: порода, размеры и сорт каждой доски, разновидность и местонахождение пороков и дефектов обработки, их размеры; при этом отмечалась сторона сортимента (наружная или внутренняя пласти, кромки и торец). Пороки древесины и дефекты обработки измерялись способами, предусмотренными в стандартах на пиломатериалы.

В результате при обработке паспортов на пиломатериалы была установлена встречаемость пиломатериалов с различными пороками древесины и дефектами обработки, установлено, что она во многом зависит от породы древесины. Чаще всего встречаются пиломатериалы с сучками, особенно сросшимися (сосновых пиломатериалов до 98,4%, еловых до 95,4%), обзолом, проростью, смоляными кармашками, заболонными грибными окрасками и кренью. Прорость и заболонные грибные окраски характерны для сосновых пиломатериалов; крень и червоточина - для еловых пиломатериалов. Смоляные кармашки наиболее характерны для еловых пиломатериалов, чем для сосновых (73,2% и 12,4% соответственно).

Подобные исследования проводили Ф.Т. Тюриков и С.П. Юн. В статье «Определение встречаемости пороков в пиловочном сырье и пилопродукции по относительным величинам», они предложили метод для нахождения среднего количества основных сортообразующих пороков, приходящихся на один пог.м. длины выпиливаемых досок и другой пилопродукции. Всю деловую часть хлыста делят на 10 относительных отрезков. Все сортообразующие пороки проектируют на плоскость, рассекающую хлыст по оси и ограниченную осью и образующей ствола. Эта модель была использована для дальнейшего раскроя хлыстов.

В 60-е годы С.Н. Рыкунин исследовал выход заготовок из березовых необрезных пиломатериалов в зависимости от их качества. Предполагалось, что показателем качества может служить отношение площади пороков на пласти доски к площади пласти доски. Были выполнены эксперименты по условному раскрою березовых не обрезных досок поперечно-продольным и продольно поперечным способами. С.Н. Рыкунин установил, что получающиеся при раскрое некондиционные заготовки характеризуются средней длиной бездефектных участков. Оказалось, что с увеличением показателя качества до определенного предела эта длина остается практически неизменной. В

результате проведенных исследований был сделан вывод о несущественности разницы в выходах заготовок при раскрое по обоим способам.

Особенности раскроя березового сырья с целью поиска рациональной технологии выпуска заготовок были исследованы в Львовском лесотехническом институте (М.И. Гербей, К.С. Худин, Ю.М. Бенько). По результатам опытных раскроев было рекомендовано необрезные доски рассортировывать по качеству, причем доски первого и второго сорта сразу же направлять на сушку и после сушки раскраивать на заготовки. Доски третьего сорта рекомендовалось раскраивать на отрезки, равные или кратные длине заготовок, высушивать до эксплуатационной влажности и затем раскраивать на заготовки.

Исследованиями раскроя мягколиственного сырья в течение многих лет занималась группа ученых Белоруссии (В.И. Пастушени, H.A. Батин, A.A. Янушкевич, Е.Е. Сергеев), которая выяснила, что наиболее эффективна комплексная переработка березы, осины и ольхи на заготовки (к примеру, черновые мебельные) и технологическую щепу. Сравнительные исследования эффективности различных методов раскроя березового сырья на пиломатериалы и заготовки выполнены Г.И. Кондратовой и Г.Н. Берестневой. Определением выхода заготовок для однослойных щитов паркета из необрезных лиственных пиломатериалов (береза и осина) успешно занимались также В.Г. Уласовец и JI.A. Макарова. Также установлением выхода заготовок для различных условий занимались B.C. Ясинский и В.М. Меркелов (СПбЛТА), В.Ф. Ветшева, JLA. Сыпневская, A.JI, Колпаков и другие (СибТИ), Т.М. Хавратова (СибНИИЛП), B.C. Мельников (Брянский ТИ). Результаты всех перечисленных исследований были применимы для конкретных условий, но не дали основы для моделирования операций поперечного раскроя.

Во второй главе представлено обоснование требований к модели доски. Ранее в практике для определения выхода заготовок использовали разметку досок. Недостаток этой методики известен: если на обеих пластях и кромках пиломатериала одновременно пометить все пороки, то последовательность будущего раскроя определить весьма затруднительно. Таким образом, все предложенные ранее модели пиломатериала оказываются непродуктивными. Возникла необходимость в создании новой, более информативной модели пиломатериала.

В зависимости от сечения, породы и других признаков пиломатериала, пороки могут быть расположены: только на одной пласти или только на одной кромке; сразу на двух пластях или кромках; сразу на одной пласти и двух кромках; на одной кромке и двух пластях; либо одновременно на одной пласти и одной кромке; либо на двух пластях и двух кромках одновременно.

б

Рисунок 1 - Обозначение поверхностей Для наглядной оценки качества пиломатериала и предложений по последующему раскрою в ходе обработки экспериментальных данных была разработана секторно-круговая модель пиломатериала (рис. 2). Данная модель представляет собой развертку поверхности доски с центром в вершинном торце. Вся поверхность доски разделена окружностями на зоны, с градацией 0,3 м. -Сверху представлена первая пласть, справа первая кромка, снизу вторая пласть, слева вторая кромка.

1 пласть

2 пласть

Рисунок 2 - Секторно-круговая модель пиломатериала (зоны, имеющие пороки, заштрихованы).

Модель ориентирована на последующую машинную обработку информации и позволяет оценить альтернативные варианты раскроя досок на заготовки.

Рассмотрен вопрос классификаций пороков. Изучены принципы их построения, которые соответствуют тем задачам, которые выполняет та или иная классификация. В настоящее время, в большинстве случаев распознавание дефектов на пиломатериалах осуществляется визуально, человеком. Громоздкое посортное деление при сложной системе определения сортов совершенно исключает объективность и правильность качественной оценки. Она зависит от индивидуальной интуиции и глазомера работника.

Для построения систем автоматического опознавания дефектов была предложена новая классификация пороков, представленная ниже:

1. Точечные

1.1 сучки;

1.2 червоточина;

1.3 механические повреждения.

2. Протяжённые

2.1 заболонная гниль;

2.2 окраски;

2.3 прорость.

3. Объёмные

3.1. пасынок;

3.2. кривизна;

3.3. ядровая гниль.

4. Прочие

Также во второй главе изложены результаты теоретических исследований, посвященных анализу встречаемости различных пороков в сырье и пиломатериалах. Были получены следующие результаты - в хвойных породах в 1 и 2 сортах в основном преобладают пороки первой группы. При 3 сорте у сосны значительную часть занимают пороки, относящиеся к третьей группе, у ели примерно равное процентное соотношение для второй и третьей группы пороков.

У лиственных пород более сложная картина. В 1 сорте березы преобладают пороки первой группы. Во 2 сорте у березы: диаметрах 14-24 см -третья группа пороков преобладает, а при диаметрах выше 26 см - вторая и первая группы пороков. При 3 сорте у березы преобладают пороки второй группы, а при диаметрах свыше 26 см, еще и третьей группы. У осины всегда, за исключением 1 сорта, преобладают пороки первой и второй группы.

На основании проведенных исследований сделан вывод о возможности ограничения количества идентифицируемых пороков на основе новой классификации.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований, посвященных одновременной встречаемости пороков на поверхностях пиломатериала.

Ранее, предпринимались попытки по созданию системы, которая оптимизировала бы процесс раскроя пиломатериалов на заготовки. Специалистами технического университета и лесопильно-деревообрабатывающего комбината в Дрездене был разработан опытный образец системы оптимизации процесса раскроя пиломатериалов на заготовки. Основой данной оптимизации раскроя являлось приближенное изображение доски в виде системы прямоугольников (которое получалось автоматически с помощью специальной программы), дающих информацию о зонах дефектов, контурах доски, её дине и ширине. Была создана специальная программа

8

раскроя, представляющая собой алгоритм для определения оптимальных линий продольного и поперечного резания и предназначенная для составления схем раскроя преимущественно необрезных пиломатериалов на заготовки разных размеров. Это была одна из немногих попыток автоматизировать определение дефектных участков на пиломатериале. Но недостатком данной системы являлась оценка качества пиломатериала лишь по одной из поверхностей доски.

Для проверки объективности данной системы были проведены исследования. В зависимости от поперечного сечения пиломатериала, породы и других признаков пиломатериала, пороки могут быть расположены: либо только на одной пласти или кромке; либо сразу на двух пластях или кромках; либо сразу на одной пласти и двух кромках или на одной кромке и двух пластях; либо одновременно на одной пласти и одной кромке или на двух пластях и двух кромках. И очень редко когда пороки древесины расположены только на какой-либо одной поверхности. В итоге получили, что в основном пороки расположены: одновременно на одной пласти и кромке, только на одной пласти, на двух пластях и одной кромке одновременно. Таким образом, получилось, что оценивать пиломатериалы по качеству лишь по одной поверхности (в основном пласти) - неэффективно.

Для выяснения наиболее распространённых вариантов комбинации пороков на поверхностях пиломатериала были проведены экспериментальные исследования. На предприятиях города Архангельска - ОАО «СЛДК» и ОАО Лесозавод №3 - были проведены необходимые замеры. Замерялись хвойные пиломатериалы. Данные по измеряемым поперечным сечениям пиломатериалов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Измеряемые поперечные сечения пиломатериалов

Порода Толщина, мм Ширина, мм

ель 19 100

19 150

22 100

22 150

25 100

25 150

38 100

38 150

50 100

50 150

Порода Толщина, мм Ширина, мм

сосна 19 100

19 150

22 100

22 150

25 100

25 150

38 100

38 150

50 100

50 150

Пиломатериалы осматривались со всех четырех сторон (2 пласти и 2 кромки). По каждой стороне, с шагом 0,3м, фиксировались наличие и вид порока. Основываясь на эти данные, определяли сорт участка согласно ГОСТ 26002-83. Было замерено по 100 досок каждого из перечисленных выше поперечных сечений пиломатериалов. Полученные данные заносились в типовые таблицы, для примера ниже представлена одна из них.

Таблица 2 - Сосновые пиломатериалы с поперечным сечением 19*100 мм

пласть

0 1 2

¡4 2 0 - 28 ш

о а. 1 7 12 й

2 1 2 7

В результате проведенных исследований выяснилось, что в основном пороки расположены: одновременно на одной пласти и кромке, только на одной пласти, на двух пластях и одной кромке одновременно.

Для проверки адекватности выбранной длины участка были проведены контрольные эксперименты. Замеры сосновых пиломатериалов проводились на предприятии города Архангельска - ООО «Кардинал». В ходе эксперимента было замерено 100 досок сечением 38 х 150 мм. Все доски осматривались со всех четырех сторон. Каждая часть доски, будь то пласть или кромка, при осмотре, условно делилась по всей длине на участки длиной 0,1м. Замеры проводились аналогично методике основных экспериментов.

В ходе проведенных исследований выяснилось, что дефектные участки длиной 0,1м могут встречаться до 11 раз подряд. На обеих пластях (кромках) процентное соотношение количества повторяющихся дефектных участков примерно одинаково._____

Количество дефектных участков встречающихся подряд

у Один я Два I. Три I Четыре h Пять Шесть

Рисунок 3 - Частота встречаемости дефектных участков различной протяженности.

Наиболее часто пороки встречаются на пластях пиломатериала. Обычно

если на одной пласти много пороков, то на второй меньше. Таким образом,

ю

порядка 90% всех пороков имеют протяженность до 0,3 м - то есть выбранный ранее шаг обоснован.

Таким образом, возникает необходимость в создании такой системы, которая позволяла бы учитывать все поверхности пиломатериала, однако это требование может быть не столь категоричным, если существует взаимосвязь между качеством разных пластей и кромок.

На рисунке 4 представлена развертка поверхности доски: первая и третья строки это - пласти доски, вторая и четвертая строки - кромки. Вертикальными линиями доска условно разделена на участки с градацией 0,3 м (для примера взята доска длиной 5,7 м, то есть разделенная на 19 частей по 0,3м).

2-4 б _ 8 . 10. .12._ 14 _ 1 б__18. _

Рисунок 4 - Развертка поверхности доски Примем, что заштрихованные области имеют порок древесины. Для быстрой обработки всех результатов необходимо, каким либо образом автоматизировать данную информацию. Автоматизация возможна с помощью компьютера, но для того, чтобы ввести это изображение в компьютер, нужно закодировать его, то есть представить в некоторой комбинации символов понятной для машины.

Для кодировки будем использовать матрицу, представленную на рисунке 5,где под*, понимается - первая пласть, под первая кромка, а под вторая пласть и под I,- вторая кромка. На рисунке 6 представлены все возможные комбинации кодировок.

X, Хг Хз Х<

Рисунок 5- Матрица

- [ГШ

2 ЦП 1.ПТ1

3 ЕЕ

« ПГП иГТП

5 ОСТ

6 ИИ 12ни 151X1 «СИ

е Н х1ГШ 9 няя

Рисунок 6 - Виды матриц

Так как пока не будем учитывать, какую из двух пластей (внутреннюю/наружную) или кромок рассматриваем, то можно сказать, что некоторые матрицы будут одинаковы. Таким образом, матрицы под следующими номерами будут идентичны друг другу: 2 и 10; 4 и 11; б, 12, 15 и 16; 7 и 13; 8 и 14. В итоге получили девять основных матриц. Обозначим заштрихованные элементы 1, а не заштрихованные области, соответственно 0. Таким образом, каждая область доски (один из пронумерованных вертикальных столбцов на рисунке 4) - будет отображаться своим кодом, состоящим из единиц и нулей. Однозначное соответствие между кодами и изображениями, позволит в дальнейшем оперировать только кодами, помня о том, что изображение всегда может быть воспроизведено по его коду. Согласно полученным матрицам, доску, представленную на рисунке 4, можно закодировать в понятном для машины виде. Программа, разработанная на основе данного двоичного кода, позволит значительно снизить трудоемкость процесса обработки данных и сократит время принятия решения о последующем раскрое пиломатериалов на заготовки. Также она даст возможность автоматически оценивать пиломатериал со всех сторон для последующего рационального раскроя.

Четвертая глава посвящена установлению тесноты связи расположения пороков на разных поверхностях пиломатериала и разработке рекомендаций по сортировке пиломатериалов.

Для определения тесноты связи расположения пороков на разных поверхностях пиломатериала был использован метод ранговой корреляции, так называемый непараметрический метод математической статистики. Процесс установления коэффициента ранговой корреляции состоит из упорядочения исследуемых объектов по отношению к некоторому признаку, то есть объектам приписываются порядковые номера - ранги. Наиболее распространен коэффициент ранговой корреляции Спирмэна.

С помощью коэффициента ранговой корреляции Спирмэна возможно определить, насколько сильна корреляционная связь между двумя признаками (один из вариантов: первый показатель — первая пласть, второй показатель -первая кромка). Для этого коэффициента, производили ранжирование значений обоих показателей. Каждому значению присваивали ранг. Затем производили подсчет разности рангов и квадрата разности. Этот коэффициент принимает значения между +1 и -1, показывая тесноту и направление связи между изучаемыми объектами.

Коэффициент ранговой корреляции Спирмэна вычисляется по формуле:

где d' — разница между рангами, присвоенными каждой из переменных;

N— размер выборки.

Но если в двух последовательностях имеется несколько групп связанных рангов, представленных < и и члена, то формула несколько усложняется, в числитель добавляют поправки на связанные ранги, которые вычисляются по следующим формулам:

- для первой последовательности

г--¡-si,'-,), (2)

12 ,

- для второй последовательности

у., -Lv („>_„). (3)

12 ,

И формула коэффициента корреляции принимает следующий вид:

(4)

N-(N -I)

В таблицах 3 - 4 представлены результаты вычислений коэффициентов Спирмэна для всех исследуемых сечений пиломатериалов.

Таблица 3 - Сводная таблица коэффициентов Спирмэна для пиломатериалов шириной 150 мм

Сечение/сочетание 1 пласть 1 кромка 1 пласть 2 пласть 1 пласть 2 кромка 1 кромка 2 пласть 1 кромка 2 кромка 2 пласть 2 кромка

50*150 мм • 0,497: . 0,406' 0,479 0,485' 0,604 0,535

38*150 мм 0,560 0,607 0,580 0,608 0,612 0,603

25*150 мм 0,564 0,738 0,531 0,631 0,678 0,610

22*150 мм 0,637 0,742 0,643 0,672 0,704 0,617

19*150 мм 0,751 0,744 0,735 0,682 0,935 0,651

Таблица 4 - Сводная таблица коэффициентов Спирмэна для пиломатериалов шириной 100 мм _

Сечение/сочетание 1 пласть 1 кромка 1 пласть 2 пласть 1 пласть 2 кромка 1 кромка 2 пласть 1 кромка 2 кромка 2 пласть 2 кромка

50*100 мм .0,452... i 0,470/.. /0,388. • 0,529 -0,49}.;; 0,580

38*100 мм .0,469. 0,535 : 0,390 ' 0,555 0,497 0,583

25*100 мм .0,471 . 0,624 0,498. 0,608 0,601 0,591

22*100 мм 0,581 0,660 0,596 0,612 0,650 0,595

19*100 мм 0,644 0,719 0,712 0,615 0,682 0,599

Таким образом, частично подтверждается выдвинутое ранее предположение о том, что при раскрое пиломатериалов не достаточно оценивать их по качеству лишь по одной худшей пласти и кромке. Построены диаграммы по данным таблиц 3 и 4.

5 од

о.

5 0,65

а. 0,55

¡- 0,5 £

Я 0,45 к

-е-

-е- о,4

0,35 19*

100 22*100 25*100 38*100 50*100 Сечение пиломатериала, мм

—1 пласть 1 кромка 1 пласть 2 пласть —¡4—1 пласть 2 кромка )(■ ■ 1 кромка 2 пласть ж 1 кромка 2 кромка

Рисунок 7 - Зависимость коэффициента Спирмэна от размера сечения пиломатериала

0,95

§ 0,9

«и

а. 0,85 к

О 0,8 з

§ 0,75

£ о,б

и

§ 0,55 £

Ж 0.5

Г)

§. 0.45

0,4

0,35 19*

150 22*150 25*150 38*150 50* Сечение пиломатериала, мм

150

—$—1 пласть 1 кромка —1 пласть 2 пласть —— 1 пласть 2 кромка ■ X 1кромка2 пласть Ж 1 кромка 2 кромка —©—2 кромка 2 кромка

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента Спирмэна от размера сечения пиломатериала

По диаграммам заметно, что с увеличением толщины пиломатериалов, значение коэффициента ранговой корреляции Спирмэна уменьшается, при любых сочетаниях пластей и кромок. Иными словами, чем больше толщина пиломатериала, тем меньше зависимость между расположением пороков на разных поверхностях пиломатериала. Согласно полученным данным, вывод справедлив и для пиломатериалов шириной 100 мм, и для 150 мм.

На основании установленных зависимостей между наличием пороков на поверхностях пиломатериала, можно предложить новые рекомендации по сортировке пиломатериалов.

Результаты из таблиц 3-4 для каждого сечения можно представить в виде графов.

Рисунок 9 - Графы для сосновых пиломатериалов шириной 100 мм

Рисунок 10 - Графы для сосновых пиломатериалов шириной 150 мм

По представленным выше графам можно сказать, что тонкие пиломатериалы с поперечным сечением 19*100 мм, 22*100 мм, 19*150 мм, 22*150 мм, 22*150 мм можно сортировать по одной худшей пласта или кромке. При том обязательно по второй пласта. Для толстых пиломатериалов процесс

сортировки усложняется, необходимо перед раскроем оценивать обе пласта и одну худшую кромку.

Таблица 5 - Рекомендации по нормированию и сортировке пиломатериалов

Поперечное сечение Рекомендации по сортировке и

пиломатериала, мм нормированию

Порода - сосна

19*100 По любой пласти

22*100 По любой пласти

25*100 1) По второй пласти

2) Первая пласть + худшая кромка

38*100 1) По второй пласти

2) Первая пласть + обе кромки

50*100 1) Обе пласти

2) Первая пласть + худшая кромка

19*150 По любой пласти

22*150 По любой пласти

25*150 По любой пласти

38*150 По любой пласти

50*150 Обе пласти + худшая кромка

Порода - ель

19*100 По любой пласти

22*100 По любой пласти

25*100 По любой пласти

38*100 По любой пласти

50*100 1) Обе пласти

2) Первая пласть + худшая кромка

19*150 По любой пласти

22*150 По любой пласти

25*150 По любой пласти

38*150 По любой пласти

1 50*150 Обе пласти + худшая кромка

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, представленные в диссертационной работе, позволяют сделать следующие выводы:

1. Возможно построение новой модели пиломатериала, которая представляет собой прямоугольную развертку пиломатериала всех четырех сторон доски, либо круговая развертка в виде секторно - круговой модели. У каждой из моделей есть свои преимуществ и недостатки. Первый вариант более удобен и прост для заполнения, но для моделирования раскроя совсем не пригоден, для моделирования лучше использовать второй вариант.

2. При нормировании и стандартизации пороков нет необходимости учитывать все пороки растущего дерева, достаточно ограничить число нормируемых пороков согласно разработанной классификации.

3. Разделение участков, по которым нормируются пороки древесины, хорошо согласуется с установленной градацией по длине.

4. Установленные связи между качеством поверхностей пиломатериала позволяют брать за основу при нормировании и оценке качества не все четыре стороны пиломатериала, а лишь одну пласть и одну кромку (для некоторых исследованных сечений).

5. Результаты экспериментальных исследований позволяют сформулировать общую концепцию сортообразования в научно-технической документации и разработать программу для автоматизированной оценки качества и раскроя.

Основные результаты диссертации опубликованы: В изданиях по перечню ВАК:

1. Задраускайте Н.О. К вопросу автоматизирования определения дефектных участков на пиломатериале / Н.О. Задраускайте, A.M. Копейкин// Лесн. журн. - 2012. -№ 3. - С. 72-75. - (Изв. высш. учеб. заведений).

2. Задраускайте Н.О. О моделировании раскроя досок на заготовки / A.M. Копейкин, Н.О. Задраускайте // Вестник Московского государственного университета леса. — Лесной вестник. - 2013. - №1(93). — С.68-70.

В прочих научных изданиях:

1. Задраускайте Н.О. Технологическое обоснование использования обрабатывающих центров в производстве деталей/ Н.О. Задраускайте // Проблемы развития дизайна и композиции художественных изделий: материалы Международной науч.-техн. конференции (Архангельск, 18-21 мая

2010 г.) / под ред. П.Н. Рыбицкого. - Архангельск: Изд-во Северного (Арктического) федерального университета, 2010.- 163 с. (с.12-15)

2. Задраускайте Н.О. Раскрой необрезных и обрезных досок на заготовки / Н.О. Задраускайте // Шсове господарство, люова, папарова i деревообробна промисловкть: М1жвщ. наук.-техн. зб. — JlbBiB: НЛТУ Укра1ни, 2011, вип. 37.1.-С.119-121.

3. Задраускайте Н.О. К вопросу о моделировании продольного и поперечного раскроя / A.M. Копейкин, Н.О. Задраускайте // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: материалы науч.-техн. конф. (Вологда, 6-8 декабря 2011 г.) -Вологда: ВоГТУ, 2012. - С. 92-94.

4. Задраускайте Н.О. К вопросу автоматизации определения дефектов на пиломатериале / Н.О. Задраускайте // Научному прогрессу - творчество молодых: материалы и доклады Междунар. молодёж. науч. конф. по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола, 20-21 апр. 2012 г.) в 3 ч./ редкол.: В.А. Иванов [и др.]. - Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2012. - 296 с. - С.76-78.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направить по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, САФУ имени М.В. Ломоносова, учёному секретарю диссертационного совета Д 212.008.01 Земцовскому А.Е.

Подписано в печать 13.11.2013. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 2043.

Издательско-полиграфический центр им. В.Н. Булатова ФГАОУ ВПО САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д.56

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова»

На правах рукописи

04201453394

Задраускайте Наталья Олеговна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА И ПОПЕРЕЧНОГО РАСКРОЯ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

05.21.05 - Древесиноведение; технология и оборудование деревопереработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н.,_проф. А.М. Копейкин

Архангельск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 7

1.1. Планирование раскроя и изучение методов раскроя круглых лесоматериалов на заготовки 8

1.2. Место операции оценки качества пиломатериалов в

технологическом процессе 12

1.3. Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей раскроя пиломатериалов на заготовки 13

1.4. Работы по исследованию встречаемости и обнаружению

пороков древесины 19

1.5. Совершенствование нормативных документов 33 Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 38

2.1. Постановка задачи и выбор критерия оценки качества пиломатериалов 38

2.2. Обоснование требований к модели доски и выбор модели

для исследования операции поперечного раскроя 39

2.3. Анализ встречаемости различных пороков древесины

в сырье и пиломатериалах 42

2.4. Классификация пороков древесины как объектов

для систем диагностики 48

2.5. Выводы по главе 58 Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 59

3.1. Методические эксперименты 5 9

3.2. Методика и результаты экспериментальных исследований 66 —

3.3. Результаты контрольных экспериментов 78

3.4. Выводы по главе 83 Глава 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 85 4.1. Использование фонда моделей для разработки нормативных

документов 85

4.2.Использование фонда моделей для обоснования технологии раскроя 96 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 100

Список литературы 101

Актуальность темы. Автоматизация раскроя пиломатериалов на заготовки остается одной из наиболее сложных проблем современного лесопиления. Объясняется это, прежде всего тем, что при раскрое обрезных и необрезных пиломатериалов приходиться учитывать не только размеры предмета обработки, но и качественные характеристики древесины. Именно эта особенность -приоритет качества над геометрическим выходом в сочетании с ограниченной размерной спецификацией сделали практически неразрешимой проблему теоретического раскроя досок на заготовки. Пока никому не удалось построить сколько-нибудь приемлемую модель обрезной и необрезной доски для последующих теоретических исследований. Предпринимались различные попытки, и первая из них состояла в планировании раскроя по цепочке «сырье -пиломатериал - заготовки» с рассортировкой бревен и досок по сортам. Вторая заключалась в том, чтобы оценивать доски, подлежащие раскрою, по насыщенности пороками или по наличию и размерам бездефектных участков, что фактически означало изменение подхода к сортировке досок по качеству. Третий подход состоял в накоплении банка данных схем раскроя и выходов заготовок, полученных с помощью разметки досок. По всем вышеперечисленным методическим подходам можно констатировать, что практический выход был получен только по первому направлению, второе и третье направление остались пока на уровне научных проектов.

Целью исследования является доказательство возможности моделирования качества пиломатериалов для выполнения операций сортировки и выбора варианта раскроя на заготовки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи;

- выполнить ретроспективный анализ исследований посвященных изучению встречаемости пороков в пиловочном сырье и пилопродукции;

- разработать теоретическую модель доски, учитывающую её качество;

- установить взаимосвязь расположения пороков между поверхностями пиломатериала;

- оценить пиломатериалы по насыщенности пороками древесины;

разработать методику выбора способа сортировки и раскроя пиломатериалов.

Объектом исследования является процесс оценки качества пиломатериалов при последующем его раскрое.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы были использованы методы математической статистики, теории графов, теории рангов и теории вероятностей.

Научная новизна работы.

Впервые разработана секторно-круговая модель пиломатериала; представлена методика выбора способа раскроя пиломатериалов; предложена новая классификация пороков древесины, облегчающая построение систем автоматического опознавания дефектов; получены данные по взаимному расположению пороков на поверхностях пиломатериалов; установлена тесьота связи расположения пороков на всех поверхностях пиломатериала.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- секторно-круговая модель пиломатериала;

- новая классификация пороков древесины;

- установленные зависимости между поверхностями пиломатериала, насыщенного пороками древесины;

'А'

- взаимосвязи расположения пороков между поверхностями пиломатериала;

- разработаны рекомендации для сортировки пиломатериалов по качеству.

Достоверность выводов и результатов исследований. Научные

положения, выводы и рекомендации, изложенные в работе подтверждены теоретическими решениями и экспериментальными исследованиями.

Практическая значимость. Определяется внедрением в практику результатов исследований при разработке технологии глубокой переработке древесины и совершенствовании стандартов на пилопродукцию.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований будут использованы для разработки технологии глубокой деревообработки на предприятиях отрасли и для формирования информационных фондов по качеству лесоматериалов.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы развития дизайна и композиции художественных изделий» (Архангельск, 2010), международной научно-технической конференции «Люове господарство Укра'ши: проблеми та перспективи» (Львов, 2011), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2011), научно-технической конференции «Наука и образование для лесопромышленного комплекса России» (Москва, 2012), международной молодёжной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2012), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов АГТУ - САФУ имени М.В. Ломоносова, 2010-2013 п.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть печатных работ, из них две по списку ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация содержит введение, четыре главы, выводы и рекомендации, список литературы. Объём работы: основного текста - 108 е., иллюстраций - 37, таблиц - 49, список литературы - 85 наименований.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Пиломатериал представляет собой сложную для идентификации и раскроя систему со своими специфическими особенностями. Получают пиломатериалы из сырья, классифицируемого как естественный полимер растительного происхождения с очень высокой изменчивостью свойств. Изменения происходят под влиянием различных факторов. Степень влияния изменений на растущее дерево зависит и от того, какие факторы влияют, и того, как влияют и как долго. Трудно найти деревья, полностью совпадающие друг с другом по строению и качественному составу древесины.

Под качеством продукции принято понимать совокупность свойств продукции, обуславливающих её пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением. Существует целая наука о качестве продукции - квалиномия. Она выделилась в самостоятельную науку в середине 60-х годов прошлого века. Одним из направлений квалиномии является квалиметрия (наука об измерении качества). A.M. Боровиков занимался изучением принципов квалиметрии применительно к пилопродукции. Специфической задачей квалиметрии пиломатериалов было обоснование правил приемки партий с использованием выборочных методов контроля по качественным и количественным признакам [45,50].

Обзор посвящен анализу работ в области планирования раскроя пиломатериалов. Изучены сравнительные исследования эффективности различных методов раскроя пиломатериалов. Рассмотрены работы по обнаружению пороков древесины. Затронута проблема объективности оценки качества пиломатериалов. Приведено сравнение европейских и российских стандартов на пиломатериалы.

1.1. Планирование раскроя и изучение методов раскроя круглых лесоматериалов на заготовки

Планированием раскроя по цепочке «сырье-пиломатериал-заготовки» занимались П.П. Аксенов, Ф.Л. Фишкина и другие [1,6,7]. Раньше раскрой пиломатериалов на заготовки осуществлялся в основном на деревообрабатывающих предприятиях, куда пиломатериалы поступали с лесопильных заводов. Но, как предложил П.П. Аксенов, производство заготовок выгоднее концентрировать на лесопильных предприятиях, т.к. это снизит объем перевозок, как пиломатериалов, так и полученных при этом отходов. На лесопильных предприятиях появится необходимость планирования раскроя по новой цепочке - «сырьё - пиломатериал - заготовки». Профессор П.П. Аксёнов подробно исследовал теоретическую сторону проблемы, но только с учётом геометрии сырья и пилопродукции. При рассмотрении же вторичного раскроя, то есть раскроя пиломатериалов - полуфабрикатов на заготовки ему пришлось ограничиться общими рекомендациями или примерами раскроя хвойных и лиственных пиломатериалов на отдельные виды продукции (мебельные заготовки, щитовые, тарные заготовки и т.п.). Одним из основных выводов П.П. Аксенова была рекомендация раскраивать пиломатериалы на короткомерные бездефектные заготовки для последующего склеивания.

Профессор A.A. Пижурин проводил исследования, объектом которых являлись процессы раскряжевки хлыстов и раскроя бревен на пиломатериалы [54,56]. Цель исследования - разработка имитационной модели раскроя пиловочного сырья на пиломатериалы. Методами исследования были - методы математического и машинного моделирования с использованием ЭВМ ЕС-1032. В результате были разработаны имитационные модели процессов раскроя хлыстов и бревен, областью применения которых стали исследование и оптимизация процессов раскроя пиловочного сырья.

А.И. Айзенберг и П.В. Любина работали над проблемой - «увеличения выхода пиломатериалов из крупномерного соснового сырья» [18]. В одноименной

статье они привели результаты раскроя крупномерных сосновых бревен (5062см), показав, что сортность таких бревен определяется не только сучками, но и наличием гнилей и метиковых трещин, что предопределяет особенности их распиловки. Были исследованы три схемы раскроя - глубокий брус (0,3 - 0,4), обычный брус (0,6 - 0,8) и два бруса суммарной высотой 0,6-0,8 диаметра. В результате сделан вывод о том, что наиболее эффективен раскрой с глубоким брусом, обеспечивающим разделение качественных зон. В некоторых случаях может быть рекомендован вариант с обычным брусом, доски из которого подвергаются последующему делению по ширине. В этом случае увеличивается производительность лесопильных рам на 15 - 20%. В статье приведены результаты экспериментальных исследований и их экономическая оценка.

Сравнительные исследования эффективности различных методов раскроя березового сырья на пиломатериалы и заготовки выполнены Г.И. Кондратовой [22]. Ею установлено, что развальный метод раскроя обеспечивает более высокий выход заготовок и меньшие затраты на единицу продукции по сравнению с брусоворазвальным и развально-сегментным способами. Полученные результаты автор объясняет тем, что при распиловке вразвал лучше используется древесина у бревен, имеющих характерные для березы пороки - кривизну и гниль.

Несколько иные выводы получены Г.Н. Берестневой при исследовании раскроя березового сырья на заготовки для однослойных щитов паркета [28]. Здесь наиболее эффективным оказался брусово-развальный способ, причем из-за выработки заготовок только одного сечения распиловку пришлось выполнять за три прохода. Выход заготовок в зависимости от диаметра изменялся в пределах от 22 до 38% от сырья. М.В. Тихонова и В.М. Тихонов занимались изучением вопроса переработки мягких лиственных пород и березы на пиломатериалы и тарные заготовки.

Использование древесины мягких лиственных пород и березы в производстве тары может быть доведено до 80-90%. Расход древесины на производство тарных заготовок зависит в основном от породы древесины, сорта досок и размера тарных заготовок. В ходе экспериментальных работ по

переработке необрезных березовых и осиновых досок была определена потребность досок на выработку 1 м3 тарных заготовок (в зависимости от сорта досок и их толщин) [38]. Найдены расходные коэффициенты при выработке деталей ящичной тары из досок. Расход осиновых пиломатериалов на выработку тары значительно выше, чем березовых, так как осиновое сырье характеризуется большим средним диаметром, меньшей кривизной и большим наличием гнили, чем березовое. Снижение расходных коэффициентов возможно за счет улучшения технологии раскроя досок, переработки отходов на тарные заготовки и применения нового оборудования и инструмента.

СвердНИИПдревом была разработана «Технологическая инструкция по производству деталей нестроганной тары из березовых пиломатериалов», в которой приведены технологические процессы производства тарных дощечек с различным головным оборудованием и технологическими режимами. М.В. Тихонова и В.М. Тихонов, проанализировав размерно-качественный состав пиловочного сырья мягких лиственных пород и экспериментальные работы по распиловке этого сырья на пиломатериалы, а пиломатериалов на заготовки сделали вывод - наиболее рационально пиловочное сырье распиливать вразвал на необрезные доски с последующим раскроем их поперечно-продольным способом на заготовки с выработкой маломерных отрезков для сращивания.

При раскрое мягких лиственных пород на короткомерные заготовки образуется много отходов древесины. У.Э. Яунсилс изучал эту проблему и занимался поиском возможностей сокращения отходов образующихся при переработке сырья мягких лиственных пород на короткомерные заготовки. На величину отходов древесины и увеличение выхода короткомерных заготовок влияет множество факторов [67]. В своих исследованиях У.Э. Яунсилс проанализировал два наиболее значимых фактора:

1) размерно-качественные особенности сырья (толщина, степень пораженности гнилью, сучками)

2) размерно-качественные особенности короткомерной пиленой продукции (толщина, ширина, длина, требования к качеству).

В зависимости от исследуемых факторов определялся и способ раскроя, обеспечивающий наилучшее использование древесины. По результатам проведенных исследований было установлено, что в зависимости от размерно-качественной характеристики сырья и вырабатываемой продукции, для увеличения выхода и сокращения отходов - наиболее эффективными являются брусовый или сегментно-тангентальный способ раскроя. При обработке экспериментальных данных были получены уравнении, связывающие параметры сырья и заготовок с ожидаемым выходом продукции. Основываясь на проведенных исследованиях, У.Э. Яунсилс получил значения предельно допускаемой гнили и сучков в осиновом сырье (предназначенном для раскроя на короткомерные заготовки) различной толщины.

Ф.Л. Фишкина также изучала зависимость объемного выхода от числа обрезных досок выкраиваемых из необрезной доски. Объемный выход из необрезной доски растет с отдалением её от центра торца бревна и с увеличением числа обрезных досок. Наибольшая интенсивность роста объемного выхода будет при поперечном раскрое необрезной доски на две обрезные [6].

Она также проводила исследования по изучению выхода деталей строганной тары из обрезных и необрезных пиломатериалов I, II, III и IV сортов Определение выхода проводилось применительно к ящикам, наиболее типичным для строганной тары, вырабатываемой на лесозаводах. В процессе работ проводился специальный подбор пиломатериалов отдельно I, II, III и IV сортов. В каждую опытную партию включались доски одной толщины и ширины. Раскрой проводился индивидуальный и комбинированный (на крупные и мелкие заготовки) по длине.

В результате проведенных работ выяснилась неправильность применения обезличенной укрупненной нормы расхода пиломатериалов на производство строганной тары. Необходимо было в ближайшее время утвердить дифференцированные нормы расхода, чт�