автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Повышение точности метода измерения сопротивления сверлению древесины

На правах рукописи

ЧЕРНОВ Василий Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВЕРЛЕНИЮ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.05 - древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск - 2014

005567343

005567343

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный технологический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Торопов Александр Степанович

Официальные оппоненты: Рыкунин Станислав Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» (ФГБОУ ВПО «МГУЛ»), профессор кафедры технологии деревообрабатывающих производств

Шейнов Анатолий Иванович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова» (СПбГЛТУ), доцент кафедры технологии лесопиления и сушки древесины

Ведущая организация: Некоммерческое партнерство Стратегиче-

ский Альянс «ЗДОРОВЫЙ ЛЕС»

Защита состоится /У 2015 г. в 13.00 часов на заседании дис-

сертационного совета Д 212.008.01 на базе ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, главное здание, ауд. 1220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» и на сайте www.narfu.ru.

Автореферат разослан 5 2015 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент А.Е. Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Определение свойств древесины и древесных материалов имеет большое теоретическое и практическое значение в науке и народном хозяйстве. Плотность древесины является одной из главных характеристик древесины и как универсальный критерий качества сырья обладает рядом неоспоримых преимуществ перед всеми другими показателями. Несмотря на значительные достижения в области науки и техники, остаются нерешенными вопросы, связанные с понятием «плотность древесины», - это методы определения плотности древесины, исследование изменчивости плотности древесины, связь плотности с другими физико-механическими свойствами древесины и т.д. При всех своих достоинствах новые методы определения плотности древесины (денситометрии), основанные на Р-, у- и рентгеновском излучениях, характеризуются стационарностью, вредным воздействием на живой организм, высокой стоимостью оборудования и исследований, длительностью измерений. Акустические методы дают общую картину динамики плотности либо единичное, чаще усредненное, значение плотности по направлению прохождения ультразвука или другого излучения.

Таким образом, разработка нового устройства и методики, позволяющих определять изменчивость плотности в древесине и связи между физико-механическими свойствами древесины, сочетающих в себе безопасность, мобильность, высокую скорость и простоту измерений, является актуальной научно-технической задачей, которая имеет важное значение для древесиноведения и деревообработки.

Цель исследования - разработка и обоснование методики и устройства для мобильного определения плотности древесины по энергосиловым параметрам процесса микросверления.

В соответствии с целью в исследовании поставлены следующие задачи:

1) выполнить теоретические исследования процесса микросверления древесины;

2) исследовать закономерности изменения свойств древесины в круглых лесоматериалах по радиусу ствола;

3) проанализировать способы определения плотности древесины с применением рентгеновского излучения;

4) обосновать применение метода измерения сопротивления микросверлению для определения плотности древесины;

5) разработать методику для мобильного определения плотности древесины микросверлением.

Научная новизна исследования заключается:

1) в разработке: а) методики определения плотности древесины по энергосиловым параметрам процесса микросверления; б) прикладной программы в программной среде «ЬаЬУ1Е\У» для измерения энергосиловых параметров, опреде-

ления мощности микросверления и плотности древесины; в) математической модели влияния плотности и влажности древесины на процесс микросверления;

2) в исследовании кинематики процесса микросверления и углов резания.

Теоретическая и практическая значимость. Разработанные мобильные устройства для определения изменения плотности древесины могут применяться в ходе проведения научно-исследовательских работ и производственной практики. Данные устройства могут применяться:

- для определения параметров плотности, макростроения;

- определения дендрохронологических характеристик древесины [85];

- выявления скрытых пороков и определения состояния древесины (вид, место расположения, размеры, степень поражения) растущих деревьев;

- экспертизы деревянных строительных конструкций различного назначения на эксплуатационную безопасность, несущую способность;

- селективного выбора неликвидных древесных сортиментов при заготовке и механической обработке древесины.

Предложенная морфологическая таблица возможных методов и технических решений послужит основой для разработки новых устройств, комплексов и систем исследования свойств древесины и древесных материалов в процессе механической обработки.

Измерительный комплекс (шлейф), включающий устройство сбора данных «National Instruments», и прикладная программа программной среды «LabVIEW» предназначены для определения энергосиловых параметров процессов механической обработки древесины и древесных материалов.

Технические решения вопросов и устройств для мобильного определения плотности древесины микросверлением представлены в патентах РФ №95128, 2448811,2515342 и 2515343.

Методы исследований. В диссертационной работе были использованы морфологический метод исследований при разработке новых устройств для определения свойств древесины и древесных материалов микросверлением, научные положения теорий резания древесины, современные измерительные устройства (рентгеновский прибор определения плотности древесины и древесных композитных материалов «GreCon» DA-X, электронные весы «Vibra» AF-R220CE), компоненты измерительного шлейфа (датчики ток, основанные на эффекте Холла, устройство сбора данных (АЦП/ЦАП) «NI» USB-6008), лицензированное программное обеспечение «LabVIEW» 8.6 и 2013, «Statistica» 8.0, «TableCurve 2D» и «TableCurve 3D», «Statgraphics Centurion XVI», «MS Excel 2010», методики планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных для статистического анализа динамики физико-механических свойств древесины по радиусу ствола и корреляционно-регрессионного анализа при определении влияния плотности и влажности древесины на процесс микросверления.

На защиту выносятся научные положения:

1) результаты теоретических исследований кинематики процесса микросверления;

2) математические модели влияния плотности и влажности древесины на процесс микросверления древесины;

3) методика определения плотности древесины по энергосиловым параметрам процесса микросверления на основе устройства сбора данных «National Instruments» USB-6008 и прикладная программа в программной среде «LabVIEW»;

4) технические решения вопросов и устройств для определения плотности древесины микросверлением.

Достоверность выводов и результатов исследований. Научные положения и выводы обоснованы теоретически и экспериментально, отражают физическую сущность рассматриваемых явлений. Достоверность результатов исследований обеспечена большим массивом экспериментальных данных, полученных и обработанных с использованием современных измерительных комплексов и устройств, многофункциональных программных средств, системных подходов при разработке программ, моделей и методик исследований.

Апробация результатов. Основные научные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на V Всероссийском фестивале науки, г. Йошкар-Ола, 2010 г.; Международной молодёжной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам, г. Йошкар-Ола, 2010 г.; Молодёжном инновационном форуме Приволжского федерального округа, г. Ульяновск, 12-14 мая 2010 г.; Молодёжном образовательном форуме «Селигер», Тверь, 2010-2012 г.; XIII Вавиловских чтениях, г. Йошкар-Ола, 2010 г.; Региональном инновационном конвенте в рамках конкурса молодёжных инновационных проектов - «Зворыкинская премия», г. Йошкар-Ола, 2010 г.; V Российском форуме «Российским инновациям - российский капитал», X Ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов, г. Нижний Новгород, 23-25 мая 2012 г.; Международной научно-технической конференции, посвященной 5-летию кафедры механической технологии древесины, г. Кострома, 2012 г.; Республиканском конкурсе молодежных инновационных проектов, г. Йошкар-Ола, 2012 г.; Международном фестивале инноваций, знаний и изобретательства «Тесла Фест», Сербия, г. Нови Сад, 12-15 октября 2012 г.; Всероссийском конкурсе молодёжных проектов, Москва, декабрь 2012 г.; Международной научно-практической конференции «Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии обработки древесины», Киев, 24-27 сентября 2013 г.; конкурсе «У.М.Н.И.К. на СТАРТ», Москва, октябрь 2013 г.; V Международном симпозиуме РКСД «Строение, свойства и качество древесины - 2014», Москва-Мытищи, 22-25 сентября 2014 г.

Работа выполнена при поддержке грантов Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «У.М.Н.И.К.» № 9628р/14235 и «У.М.Н.И.К. на СТАРТ» № 12507р/23944.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в журналах по перечню ВАК. Получено 4 патента Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 5 разделов, заключение и список литературы, изложена на 127 е.; список литературы содержит 99 наименований.

На всех этапах работы в качестве научного консультанта принимал участие кандидат технических наук, доцент Е.С. Шарапов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана оценка степени разработанности, определена цель и сформулированы задачи исследований, научные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна, показаны теоретическая и практическая значимость, представлены результаты апробации и реализации.

В первой главе проведен сравнительный анализ существующих методов определения свойств древесины, рассмотрены метод измерения сопротивления микросверлению и его развитие, представлены обзор устройств и результаты экспериментальных и теоретических исследований, выполненных с помощью метода измерения сопротивления микросверлению. В конце главы сделаны выводы, определены задачи диссертационной работы.

Наиболее существенное развитие отечественной науки о строении и свойствах древесины началось в 20-х годах прошлого века. Исследования свойств древесины проводили в Центральном научно-исследовательском институте механической обработки древесины (ЦНИИМОД), Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ), Институте леса Национальной академии наук Беларуси (Институт леса HAH Беларуси), Московском государственном университете леса (МГУЛ). Большой вклад в изучение физико-механических свойств древесины внес Б.Н. Уголев. Плотность и пороки древесины исследовал О.И. По-лубояринов. Значительный вклад в развитие отечественного древесиноведения внесли С.И. Ванин и J1.M. Перелыгин. В последующие годы исследованиями физических и механических свойств древесины занимались П.С. Серговский (гидротермическая обработка), Б.С. Чудинов (влажностные свойства древесины), Л.С. Исаев (плотность древесины). В области неразрушающего ультразвукового контроля древесины и определения акустических свойств значимы труды И.И. Пищика, В.И. Федюкова.

В диссертации дан анализ способов и устройств, используемых отечественными и зарубежными учеными для определения плотности древесины и древес-

ных материалов, рассмотрены методы с использованием ручных измерительных инструментов и лабораторного оборудования, радиационный, акустический, ультразвуковой, электромагнитный, электрический, световой, термографический методы и метод измерения сопротивления внедрению иглы. К недостаткам радиационного метода (ß-, у- и рентгеновское излучения) относят вредное воздействие излучений на живой организм, высокую стоимость оборудования и исследований. Большинство методов требуют извлечения образцов, представляют обычно единичное, чаще усредненное, значение исследуемой величины, зачастую характеризуются длительностью измерений и необходимостью в использовании дополнительного (лабораторного) оборудования. Основным недостатком рассмотренных методов и устройств для определения плотности древесины является стационарность, сложность либо отсутствие возможности исследовать свойства (плотность) древесины на месте её расположения (растущее дерево или деревянная строительная конструкция).

Научный интерес вызывает новый метод измерения сопротивления микросверлению - сверление древесины тонким буровым сверлом, который используется для определения внутреннего состояния древесины и выявления скрытых пороков в ней. Данный метод является перспективным; с его помощью можно решить вопросы, связанные с плотностью древесины (методы определения плотности древесины, исследование изменчивости плотности древесины, связь плотности с другими физико-механическими свойствами древесины), исключив недостатки рассмотренных методов и устройств для её определения.

F. Rinn, С. Mattheck, P.M. Winistorfer, W. Xu и R. Wimmer представили результаты исследования свойств древесины и древесных материалов методом измерения сопротивления микросверлению с помощью устройства «Резисто-граф». Отмечается, что метод является достаточно точным для определения физико-механических характеристик древесины и древесных материалов (МДФ, ДСП и OSB), средней плотности абсолютно сухой древесины, выявления пороков и определения прироста древесины. Анализ метода и устройств для измерения сопротивления микросверлению (сверлению) и выполненных с их помощью исследований позволяет выделить конструктивные, теоретические и методологические (экспериментальные) вопросы. К первому роду относятся невысокая точность и разрешающая способность измерений физических параметров древесины, сложность и материалоёмкость конструкций устройств. Не был рассмотрен процесс микросверления. Параметр «сопротивление микросверлению», получаемый при использовании данного метода, не представляет ясной физической сущности процесса микросверления и не позволяет численно определять плотность древесины. В экспериментальных исследованиях принимались допущения по влажности древесины, а влажность оказывает существенное влияние на другие свойства древесины, в частности на плотность. Наибольший тео-

ретический и практический интерес вызывают сравнение метода измерения сопротивления микросверлению с наиболее современными методами определения плотности, основанными на проникающих излучениях, и установление зависимости изменения сопротивления микросверлению, выраженного в энергосиловых параметрах процесса микросверления, с изменчивостью плотности древесины.

Решение данных вопросов позволит разработать мобильное устройство, позволяющее механическим способом автоматически определять с достаточно высокой точностью и разрешающей способностью плотность и макростроение древесины.

Во второй главе представлены результаты расчета кинематики и режимов микросверления древесины, рассмотрена геометрия режущего инструмента, найдены рациональные скоростные параметры микросверления, рассчитаны математические модели влияния скоростных параметров на мощности микросверления и определены режимы резания для рациональных скоростных параметров микросверления. По результатам теоретических исследований процесса микросверления разработана новая конструкция тонкого бурового сверла с переменным задним углом и хвостовиком квадратного сечения с улучшенным стружкоотведением.

Микросверление - это процесс сверления древесины тонкими буровыми сверлами диаметром 3 мм на глубину до 0,5 м и более с высокой частотой вращения (4000 об./мин.), скоростью подачи около 0,5 м/мин. и подачей на один резец = 0,06 мм. Однако в современной теории резания не существует обособленного понятия «микросверление» и, соответственно, теории микросверления древесины.

Существует несколько вариантов исполнения режущих головок тонких буровых сверл, среди которых наиболее совершенными являются режущие инструменты, применяемые в устройстве «Резистограф». Такие сверла проходят термическую обработку. Они изготовлены из высокопрочной стали, близкой по составу к сплаву А1Б1 № 4140, обладают повышенным пределом упругости.

Основные геометрические параметры тонкого бурового сверла определены с помощью микроскопа МИС-11 и представлены на рис. 1.

Для определения рациональной скорости резания и кинематических углов необходимо рассчитать угол движения <рд (рис. 2), который достигает своего наибольшего значения вблизи оси вращения инструмента:

1 гп Ю-12

а.з;; Г"

\ 3

А-А

4,

А_А о

СУ/

Рис. 1. Геометрические параметры режущей части (слева) и контурные углы резцов (справа)

v. 1000и.

2-к-п-г'

где п - частота вращения тонкого бурового сверла, об/мин.; г - расстояние от оси вращения до рассматриваемой точки на лезвии сверла, мм. При этом задний кинематический угол резания, град.:

-<Рд>

(1)

где а - заднии контурный угол резания.

При разработке математической модели изменения величины заднего кинематического угла резания использовали центральный композиционный В-план второго порядка, составленный с помощью программы «Statgraphics Centurion XVI». Значения отклика определены из выражения (1).

Математическая модель изменения заднего кинематического угла тонкого бурового сверла (R2 = 0,87; скорректир. R регрессии = 6,15):

i"T

Рис. 2. Кинематические углы резания резцов в нормальном сечении: иг - скорость главного движения с круговой траекторией; и* - скорость подачи; ие - скорость результирующего движения резания

! = 0,69; стандартная ошибка оценки

я„= 1.64133 + 0.00249956« - 32.4223« + 11.7155r- 1.26851 10"7 п + +0.00239954ии-0.000944243га--5.49607м2 + 10.2171 иг -2.64382г2,

(2)

где и - скорость подачи тонкого бурового сверла, м/мин.

В результате дисперсионного анализа установлено, что статистически значимые эффекты имеют все входные факторы и взаимодействие факторов В (и) и С (г). Это подтверждает и диаграмма Парето. Изменение заднего кинематического угла тонкого бурового сверла показано на рисунках 3, 4 и контурном графике (рис. 5).

Рис. 3. График поверхности отклика выходной величины (/- = 0,15 мм)

Рис. 4. График поверхности отклика выходной величины (г = 1,5 мм)

Расчет мощности микросверления осуществляли по физико-технологическому методу профессора А.Л. Бершадского и методу использования объемной формулы.

1. Расчёт по физико-технологическому методу А.Л. Бершадского

В данной теории не содержатся значения удельной силы резания К для тонкого бурового сверла, значения К найдены посредством экстраполирования. Для этого были построены графики (рис. 6) зависимости значений к и арр от диаметра сверла для трёх пород деревьев, а по полученным уравнениям рассчитаны значения к и а„р для центрового сверла диаметром 3 мм (табл. 1).

Таблица 1

Удельная сила резания при сверлении тонким буровым сверлом руд, МПа

Сосна (Ртш зуМзМз) Береза (Веш1а) Дуб (Оиёгсш)

344,6+138/& 597,5+233.9/ 5. 823,5+329/5.-

На рис. 6 представлены поверхности отклика влияния частоты вращения и скорости подачи на мощность микросверления тонким буровым сверлом, которым соответствует математическая модель

Р = а + Ьп + сУ5 , где а, Ь,с- коэффициенты математической модели.

З/рМ»« ияимхвч, Ь/^Пшм! ПфЯг. .4* /Аа^оеп» ¡ПОМяиР &/ВМСЧ МОУМ. <6«

Рис. 6. Графики поверхности отклика влияния частоты вращения и скорости подачи на мощность микросверления древесины (слева направо) сосны, березы и дуба (по методу А. Л. Бершадского)

2. Расчёт с использованием объемной формулы

В таблице Ф.М. Манжоса не приведены значения удельной работы сверления Кг для тонкого бурового сверла. Значения КТ найдены посредством экстраполирования. Построены графики зависимости значений Кт от диаметра сверла для а = 0,1; 0,5; 1,0; 2,0; получены уравнения и рассчитаны значения Кт для центрового сверла диаметром 3 мм (табл. 2). Данные таблицы 2 использовались

и, м/мин угол, град.

0 2 4 в в ю

п (>1000), об/мин

Рис. 5. Контурный график зависимости ак от п и и (г = 0,15 мм)

далее для построения графика зависимости удельной работы сверления тонким буровым сверлом от толщины срезаемого слоя (рис. 7) и расчета по уравнению регрессии (3).

Таблица 2

Зависимость удельной работы сверления тонким буровым сверлом Кт от толщины срезаемого слоя

ас, мм 0,1 0,5 1,0 2,0

Кг, Дж/см' 3823 899 536 362

Регрессионная зависимость удельной работы сверления от толщины срезаемого слоя для центрового сверла диметром 3 мм

Кт = 570,05а;0,8. (4)

Графики поверхности отклика представлены на рис. 8. Математическая модель влияния частоты вращения и скорости подачи на мощность микросверления следующая:

\пР = а + Ь\пп +с\пУ1 г (5) где а, Ъ, с - коэффициенты математической модели.

гВш мои>оот» хюг.гпл ости (г/роъ* онрлои Ми«*вг«% сч^ч-ш » вусс*м' смйлоы. Из/г

Рис. 8. Графики поверхности отклика влияния частоты вращения и скорости подачи на мощность микросверления древесины (слева направо) сосны, березы и дуба (с использованием объемной формулы)

Результаты расчета мощности микросверления представлены в таблице 3.

Таблица 3

Мощность микросверления древесины (частота вращения сверла 4000 об./мин., скорость подачи 0,45 м/мин.)

Расчетный метод Порода Мощность, Вт

Физико-технологический метод профессора А.Л. Бершадского сосна 148.5

береза 251.2

дуб 353.7

сосна 316.1

Метод использования объемной формулы береза 377.4

дуб 467.9

4500 ...........:............. 4И)о •-•■.........-............

3500 ..........:............!

;2Ю0 \........1............ ! / = 570,05л-"

^^ " "V......|............

1500 : И1 = 0.9914

1000 ......... ".....

500............;■■ 0

0 0.5 1 г 5 г 2,5

Толщина срезаемого слоя, ми

Рис. 7. График зависимости Кт от толщины срезаемого слоя при сверлении центровым сверлом 0=3 мм

В третьей главе представлены результаты морфологического исследования устройств, основанных на методе измерения сопротивления микросверлению. Разработаны технические решения для микросверления и определения плотности древесины.

Морфологические исследования включают поиск технических и технологических решений, использованных в ранее разработанных устройствах и системах. В нашем случае выполнен патентный поиск устройств для определения свойств древесины и древесных материалов, проанализированы аналоги устройств. Представлена морфологическая классификация методов и технических решений, отражающая все способы механической обработки древесины.

На основе синтеза возможных методов и технических решений разработаны и запатентованы новые конструкции устройств для определения свойств древесины микросверлением (рис. 9-12), методика определения свойств (плотности) древесины микросверлением с использованием устройства сбора данных, датчиков тока, основанных на эффекте Холла, и прикладной программы обработки и управления данными.

Рис. 9. Устройство по патенту на ПМ РФ №95128

Рис. 10. Устройство по патенту на изобретение РФ № 244881 I

Рис. 11. Кинематическая схема устройства по патенту на изобретение РФ № 2515343 (автоматическое механическое регулирование скорости подачи)

<ю

МР

Рис. 12. Кинематическая схема устройства по патенту на изобретение РФ № 2515342 (автоматическое электрическое регулирование скорости подачи)

Четвертая глава знакомит с принципом работы лабораторной экспериментальной установки и результатами исследований процесса микросверления древесины.

В лабораторной экспериментальной установке (рис. 13), в разработке которой принимали участие В.Ю. Чернов, A.C. Торопов и Е.С. Шарапов, реализованы технические решения, изложенные в патенте РФ № 95128.

Для определения энергосиловых параметров процесса микросверления разработан измерительный шлейф, в состав которого входят датчики тока, основанные на эффекте Холла, и устройство сбора данных «NI USB-6008», который осуществляет

измерение, оцифровку сигналов (частота до 10000 Гц, погрешность 0,01%) и передачу данных на компьютер. Обработка и управление данными осуществляются прикладной программой в программной среде «LabVIEW». Программа содержит экспресс-виртуальные приборы фильтрации, компрессии, математического преобразования, графического отображения и записи данных в виде динамических рядов в файлы, совместимые с «MS Excel».

Закономерности изменения свойств древесины в круглых лесоматериалах по радиусу ствола исследовали на сосновом оцилиндрованном бревне (сосна обыкновенная Pinus sylvestris) D = 235 мм, Wcp = 11,5%; бревне ели с ядровой комлевой гнилью (ель европейская Picea abies) D = 310-К340 мм, Wcp = 47,6%; бревне осины с ядровой стволовой гнилью (осина обыкновенная Pópulus trémula) D = 265 мм, Wcp = 72,9%; сосновом бревне с ситовой ядровой гнилью (сосна обыкновенная Pinus sylvestris) D = 210 мм, Wcp=52,9%. На каждом исследуемом образце осуществляли по 9-15 замеров с шагом 50 мм по длине ствола.

На рис. 14-17 представлены выборочные графики мощности микросверления древесины по радиусу ствола. Диаграммы приложены на сечение лесоматериалов в местах микросверления. В ходе эксперимента анализировались данные более 50 опытов на четырех исходных лесоматериалах.

ШШ-;

Рис. 13. Лабораторная экспериментальная установка

Рис. 14. Изменение мощности микросверления по диаметру лесоматериала, серия опытов 1, опытЗ (сосна цилиндрованная, У/ср= 11,5%, 0 = 235 мм)

Рис. 15. Изменение мощности микросверления по диаметру лесоматериала, серия опытов 2, опыт б (осина с ядровой стволовой гнилью, У/ср = 72,9%, Э = 265 мм)

Рис. 16. Изменение мощности микросверления по диаметру лесоматериала, серия опытов 3, опыт 5 (ель с ядровой напенной гнилью, \Уср = 47,6%, В = 330 мм)

Рис. 17. Изменение мощности микросверления по диаметру лесоматериала, серия опытов 4, опыт 5 (сосна с ситовой ядровой гнилью, Шср = 52,9%, 0 = 210 мм)

Исследование влияния плотности древесины на процесс микросверления выполняли на образцах сосны (Pinus sylvestris), бука (Fagus sylvatica), ясеня (Fraximis excelsior) нормализованной влажности. Для этого отобрали по 10 образцов каждой породы размерами 50x20x50 мм (рис. 18). Для кондиционирования образцов использовали климатическую камеру «Binder» K.BF-240.

j Профиль плотности

образцов (годовых колец) определяли на лабораторной установке DA-X фирмы «GreCon» на кафедре технологии деревообработки и древесных композиционных материалов в Университете Георга-Августа в Германии (2011). Плотность определяли с разрешением 50 значений на 1 миллиметр (1/50). Проникновение рентгеновского излучения происходило по годичным слоям по центральному сечению (поз.2 на рис. 18) образца (поз.1 на рис. 18). Позиция 3 на рис. 18 - отверстие после микросверления. Использование радиальных образцов позволило наиболее точно определить вариацию плотности в ранних и поздних зонах годичных слоев.

Экспериментальные данные обрабатывали с помощью программы «Statistica 8.0». Для каждого исследуемого образца определялись «лаги» наиболее существенной взаимосвязи между рядами данных, осуществлялось смещение и построение совмещенных графиков рядов данных для всех образцов и отдельно в пределах одного годичного слоя каждого образца (рис. 19).

Рис. 18. Исследуемые образцы (слева направо): сосна (Pinus sylvestris), бук (Fägus sylväticaj, ясень (Fräxinus excelsior) и размеры образцов

Ж

мощность микросверления

ПЛОТНОСТЬ

МОЩНОСТЬ

микросверления

Рис. 19. Сопоставление данных по плотности и мощности микросверления сосны (Ртш с расположением годичных слоев (пунктирными линиями показана траектория

прохождения сверла) при \¥=12% (слева); сопоставление данных по плотности и мощности микросверления древесины по одному годичному слою (справа)

Графики изменения мощности микросверления и плотности древесины, полученные на рентгеновской установке, имели участки, где их значения расходились без потерь общих трендов (минимумов и максимумов). Вероятно, это свя-

зано с тем, что рентгеновское излучение проникало по всей толщине образца и, следовательно, определялась средняя плотность по толщине, а тонкое буровое сверло проходило по центру исследуемого образца. Для обработки использовались данные по одному годичному слою образцов древесины. Регрессионный анализ производился с помощью программы «ТаЫеСигуе 20». Для описания влияния плотности древесины на мощность микросверления применялись линейные функции с одной переменной вида у=а+Ьх, где х - мощность микросверления, Вт; у - плотность древесины (р,2), кг/м"1. Результаты исследований представлены на рисунках 20-23, где чёрные точки в средней области - данные в пределах одного стандартного отклонения (1 БЭ), серые - 2 БО, крайние чёрные точки - 3 БЭ и более.

на мощность при микросверлении по одному на мощность при микросверлении по одному годичному слою образцов ясеня годичному слою образцов бука

Рис. 22. Влияние плотности древесины на мощность при микросверлении по одному годичному слою образцов сосны

W=90-150% W=50-70% W=20-35% W=10-15% W=S-7% W=0X

Рис. 23 . Геометрические параметры исследуемых образцов древесины

Влияние влажности древесины на процесс микросверления исследовали на образцах сосны (Pínus sylvéstris), березы (Bétula Péndula), дуба (Ouércus Róbur) с абсолютной влажностью 0%, 5-7%, 10-15%, 20-35%, 50-70% и 90-150%. Для этого отобрали по 10 образцов заболонной древесины каждой породы размерами 50x20x100 мм (см. рис. 23).

На каждом образце произвели по шесть сквозных микросверлений (см. рис. 23) с шагом по длине 7 мм (расстояние между отверстиями).

Регрессионный анализ данных по влиянию абсолютной влажности древесины и мощности микросверления осуществлялся в программе «TableCurve 2D». С целью повышения точности описания влияния влажности древесины на про-

цесс микросверления была применена непрерывная кусочно-гладкая функция. В диапазонах влажности от 0% до нормализованной влажности и от нормализованной до максимальной влажности (90-150%) найдены уравнения разного вида, которые образуют непрерывную кусочно-гладкую функцию:

[/¡(■х),*, <х2 [а + Ь/х,х1<х2

Графические отображения функций Лх) для каждой из исследуемых пород представлены на рисунках 24-26.

« 1( ■ г......

1 "V ___

а » —-—

8 „ ..... - тт—£—:

.... - 17 -1--- ___ ---1

I;: ........ .......... |

1

1 >

Абсолютная влажность древесины. %

Рис. 24. Влияние влажности древесины сосны на мощность при микросверлении, коэффициенты регрессии (Рсосна)'- До = 12.05431, Ь0 = -0.001309, а = 14.72845, Ь = -61.138359

------- ...... ........|' ' " 7.7'"'''.'.'

--- _________ ------ ....... ........4—

• • Т

• , \

_______з/_

;......... ............;

Абсолютная влажность древесины. %

Рис. 26. Влияние влажности древесины дуба на мощность при микросверлении, коэффициенты регрессии (Рм)\ а0 = 18.72768, Ь0 = -0.00274, а = 24.38915, 6 = -114.9241)

Абсолютная влажность дрсвесины, %

Рис. 25. Влияние влажности древесины березы на мощность при микросверлении, коэффициенты регрессии (Рбере„)'■ а0 = 17.58023, 6о = -0.00136, а = 29.14136, Ь = -215.2002

Таким образом, влияние влажности древесины на мощность микросверления можно описать регрессионными моделями в виде непрерывных кусочно-гладких функций:

р 0<12.16; сосиа \а + ЫШ, 12.1 Га0+Ь0№, 0 <14.0399;

6""°~\а + Ь/1Г, ¡4.0399 < ¡У ;

р =

' Лй

(а0+Ь0УУ\ 0 <14.46973; [а + Ь/РУ, 14.46973 <0^, где Р - мощность микросверления, Вт; ]У - абсолютная влажность древесины, %;

Ш

■ максимальная влажность древесины.

Коэффициенты детерминации для каждой непрерывной кусочно-гладкой функции представлены в таблице 4.

Коэффициент детерминации непрерывных кусочно-гладких функций

Таблица 4

Для СОСНЫ (Рсосна) Для березы (Р6^ Для дуба (Рдуб)

г2 0,69 0,85 0,71

В пятой главе представлены результаты разработки и технические характеристики мобильного устройства для диагностики состояния древесины «Resist YX» (рис. 27) при определении плотности древесины микросверлением.

Рис. 27. Мобильное устройство для диагностики состояния древесины «ResistYX»

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана и обоснована методика для мобильного определения плотности древесины по энергосиловым параметрам процесса микросверления.

2. Выполнены теоретические исследования кинематики процесса микросверления древесины, разработана модель изменения заднего кинематического угла резания тонкого бурового сверла от скоростных параметров микросверления и построены ее графические интерпретации, установлены граничные условия скоростных параметров процесса микросверления древесины: частота вращения 4000 об./мин., скорость подачи 0,4-0,45 м/мин.

3. Созданы экспериментальная установка и мобильное устройство для диагностики состояния древесины «Ке5}$1УХ», измерительный шлейф на основе устройства сбора данных «N1 118В-6008» и прикладная программа в программной среде «ЬаЬУ1Е\М» для измерения энергосиловых параметров, определения мощности микросверления и плотности древесины. Мобильное устройство для диагностики состояния древесины позволяет определять плотность древесины со средней по породам абсолютной погрешностью не более ± 4,6 % при абсолютной влажности древесины 12% и разрешающей способностью до 140 значений в 1 мм.

4. Волнообразное изменение мощности микросверления древесины в радиальном направлении от 30 до 55 Вт соответствует варьированию физико-механических свойств исследуемого материала. Структура древесины является неоднородной, наблюдается изменение мощности микросверления ранних и поздних зон до 8 Вт, что составляет более 35 % от общей мощности микросверления. Экспериментальные данные при определении мощности микросверления не могут быть подтверждены классическими теориями резания, так как они ниже теоретически рассчитанных значений по методу проф. А.Л. Бершадского более чем в 3 раза, а по методу использования объемной формулы - более чем в 5 раз, что связано с неизученностью процесса микросверления древесины.

5. Выполнен сравнительный анализ способов определения плотности с использованием рентгеновского излучения и метода измерения сопротивления мик-

росверлению, исследовано влияние плотности и влажности на процесс микросверления древесины. Для каждой из трех пород (сосна, бук и ясень) представлены графические интерпретации и разработаны математические модели влияния плотности на мощность микросверления древесины при влажности 12%.

6. При повышении влажности древесины от 0% до уровня нормализованной влажности (10-15%) происходит снижение мощности микросверления в среднем на 21% для древесины березы и 15% для сосны и дуба. С повышением влажности образцов до 90-150% от нормализованной влажности мощность микросверления увеличивается в среднем на 50% для древесины березы и 25% для сосны и дуба.

7. В результате проведения исследований разработаны технические решения устройств (патенты РФ № 95128, 2448811, 2515342 и 2515343), которые позволяют реализовать на практике метод измерения сопротивления микросверлению при определении плотности древесины в производственных условиях.

Основные результаты диссертации отражены

в изданиях по перечню ВАК:

1. Шарапов, Е.С. Исследование процесса сверления древесины с использованием устройства сбора данных N1 USB 6008 / Е.С. Шарапов, В.Ю. Чернов II Изв. вузов. Лесн. журн. - 2012. -№ 6.-С. 96-100.

2. Шарапов, Е.С. Обоснование конструкции устройства для исследования свойств древесины сверлением / Е.С. Шарапов, В.Ю. Чернов И Известия СПбГЛТА. -2011. - № 195. -С. 134-142.

3. Шарапов, Е.С. Результаты экспериментальных исследований свойств древесины круглых лесоматериалов по радиусу ствола / Е.С. Шарапов, A.C. Торопов, В.Ю. Чернов II Вестник Московского государственного университета леса-Лесной вестник. -2012.-№2.-С. 162-167.

4. Шарапов, Е.С. Сравнительный анализ способов определения плотности древесины с помощью рентгеновского излучения и устройства для измерения сопротивления сверлению / Е.С. Шарапов, В.Ю. Чернов И Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. -2014,-№2. -С.89-95.

в патентах:

5. Пат. 95128 Российская Федерация МПК 6 G01 N 3/40. Устройство для измерения сопротивления сверлению / Шарапов Е.С., Чернов В.Ю., Бычкова Т.В.; заявители и патентообладатели Шарапов Е.С., Чернов В.Ю., Бычкова Т.В. - №2010106686/22; заявл. 24.02.2010; опубл. 10.06.2010, Бюл. № 16. - С. 3.

6. Пат. 2448811 Российская Федерация МПК 6 В23В 25/06. Устройство для измерения сопротивления сверлению / Шарапов Е.С., Чернов В.Ю., Чернов Ю.В. - № 2010145313/28; заявл. 08.11.2010; опубл. 27.04.2012, Бюл. № 12. - С. 3.

7. Пат. 2515342 Российская Федерация МПК 6 G01N 3/58. Устройство для измерения сопротивления сверлению/Шарапов Е.С., ЧерновВ.Ю., Кузнецов Е.Ю., Потаев И.С. -№ 201251980/28; заявл. 04.12.2012; опубл. 10.05.2014, Бюл. № 13. -С. 3.

8. Пат. 2515343 Российская Федерация МПК 6 G01N 3/58. Устройство для измерения сопротивления сверлению / Шарапов Е.С., Чернов В.Ю., Торопов A.C. - № 201251980/28; заявл. 04.12.2012; опубл. 10.05.2014, Бюл. № 13. - С. 3.

в прочих изданиях:

9. Чернов, В.Ю. Определение внутрикольцевой плотности древесины с помощью устройства для измерения сопротивления сверлению / В.Ю. Чернов II Зб1рник тез доповщей

М1жнародно1 науково-пракгично! конференщ! "Екологобезпечш pecypco36epiraio4i технолог^ обробления деревени" / НУБиП. - Киев, 2013. - С. 9-10.

10. Чернов, В.Ю. Устройство для измерения сопротивления сверлению / В.Ю. Чернов, Е.С. Шарапов // Научному прогрессу - творчество молодых: сб. материалов по итогам между-нар. науч. конф. по естественнонауч. и техн. дисципл. в 3 ч. Ч. 3. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010.-С. 124-126.

11. Чернов, В.Ю. Устройство для измерения сопротивления сверлению / В.Ю. Чернов, Е.С. Шарапов // Сборник аннотации проектов Молодежного инновационного форума Приволжского федерального округа (УлГТУ, 12-14 мая 2010 г.). - Ульяновск: УлГТУ, 2010. - 404 с.

12. Шарапов, Е.С. Методика тарировки устройства для определения плотности древесины сверлением / Е.С. Шарапов, A.C. Торопов, В.Ю. Чернов И Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса: материалы международной научно-технической конференции, посвященной 5-летию кафедры механической технологии древесины / ФГБОУ ВПО КГТУ. - Кострома: Изд-во КГТУ, 2012. - 219 с.

13. Шарапов, Е.С. Морфологические исследования конструкций мобильных устройств для диагностики состояния древесины сверлением / Е.С. Шарапов, A.C. Торопов, В.Ю. Чернов II Труды Поволжского государственного технологического университета. - 2013. - Ч. 2. -С. 342-349.

14. Шарапов, Е.С. Определение внутрикольцевой плотности древесины с помощью устройства для измерения сопротивления сверлению / Е.С. Шарапов, A.C. Торопов, В.Ю. Чернов II Науковий в1сник Нащонального ушверситету öiopecypcie i природокористування Укра1ни. - 2013. -№185, ч. 2. - С. 320-327.

Подписано в печать 26.01.2015. Формат 60><84 'Аб. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 5478.

Отпечатано в редакционно-издательском центре ПГТУ 424006, Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17