автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование раскроя высококачественных пиловочных сортиментов

На правах рукописи

БРА ТОЛОВ Дмитрий Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСКРОЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ПИЛОВОЧНЫХ СОРТИМЕНТОВ

Специальность 05.21.05 - « Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки »

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск - 2005

Работа выполнена в Архангельском государственном техническом университете

Научный руководитель-Научный консультант Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Турушев В Г

кандидат технических наук, доцент Голяков А Д

доктор технических наук, профессор Калитеевский Р Е

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Боричев Ю.А

Ведущая ор!анизация ОАО «Научдревпром - ЦНИИМОД»

Защита диссертации состоится ¿о июня 2005 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212 008 01 в Архангельском государственном техническом университете (163002, г Архангельск, наб Северной Двины, 17, главный корпус, ауд 1228)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета

Ав тореферат разослан мая 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент ^

Земцовский А Е

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В пиловочном сырье особое место занимают сортименты, не содержащие наружных сучков. У таких сортиментов сформирована бессучковая зона. Это в основном комлевые бревна.

Пиломатериалы, полученные из бессучковой зоны, отвечают самым высоким требованиям рынка. Такие пиломатериалы пользуются спросом в деревообработке (столярные изделия, дверные и оконные блоки, профильные погонажные изделия, облицовка интерьеров, заготовки различного назначения и т.д.) и мебельном производстве. В настоящее время бревна, не содержащие наружных сучков, раскраиваются по общей технологии, принятой на предприятиях, на пилопродукцию определенного назначения, например, на экспортные пиломатериалы (ГОСТ 26002-83). При этом бессучковая зона бревна в лучшем случае идет на бессортные пиломатериалы, цена которых в несколько раз ниже, чем бессучковых.

В ранее выполненных исследованиях модель бревна и способы раскроя на бессучковые пиломатериалы рассмотрены достаточно узко, с привязкой к конкретному виду пилопродукции, что существенно ограничивает области их использования. Нет единого методического подхода к определению границ, размеров и формы бессучковых зон.

Поэтому повышение эффективности раскроя пиловочных сортиментов, не содержащих наружных сучков, является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение эффективности раскроя комлевых сосновых бревен, за счет увеличения выхода бессучковых пиломатериалов.

В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи.

1. Разработать методику построения модели сучковатости бревен с учетом размеров и формы зон качества и насыщенности их сучками.

2. Провести экспериментальные исследования сучковатости комлевых пиловочных бревен, с целью выявления основных параметров зон качества.

3. Разработать модель сучковатости комлевых сосновых бревен.

4. Разработать методику раскроя пиловочных бревен с учетом максимального использования бессучковой зоны.

Объект исследования - технология раскроя бревен на пиломатериалы; предмет исследования - зоны качества комлевых сосновых бревен.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработаны научно обоснованная модель сучковатости и методика ее построения, наиболее полно отражающие параметры зон качества комлевых пиловочных бревен.

2. Впервые выделена переходная зона, позволившая выявить новый подход к рациональному раскрою комлевых бревен.

3. Предложена методика расчета эффективных схем раскроя высококачественных пиловочных бревен ~ ой автором

графической системы, учитывающей расположение, размеры и форму зон качества.

На защиту выносится.

1. Новая модель сучковатости комлевых сосновых бревен и методика ее построения, позволяющая выделить основные параметры зон качества.

2. Графическая система расчета схем раскроя комлевых сосновых бревен с учетом впервые выделенной переходной зоны, что позволяет повысить ценностный выход пиломатериалов.

3. Технология эффективного раскроя комлевых пиловочных бревен, не содержащих наружных сучков.

Практическая значимость работы.

1. Предложенная в работе модель сучковатости комлевых сосновых бревен закладывает практические предпосылки составления эффективных схем их раскроя.

2. Для практической реализации результатов исследования разработана графическая система, используя которую, представляется возможным составлять эффективные схемы производства бессучковых пиломатериалов.

3. Графическая система позволяет прогнозировать выход пилопродукции со специальными требованиями в отношении сучков.

4. Предложенные в работе модель сучковатости пиловочных бревен и методика ее построения могут способствовать дальнейшему исследованию закономерностей макростроения древесины.

Место проведения исследований. Работа выполнена в Архангельском государственном технологическом университете на кафедре лесопильно-строгальных производств. Экспериментальные исследования проведены на лесопильном предприятии ООО "Компания Каюр", расположенном в Вологодской области.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации и основные ее разделы были представлены на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (2001-2003 г., 2005 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и приложений, содержит 169 страниц машинописного текста, 73 рисунка, 23 таблиц. Список литературы включает 61 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложено состояние вопроса. Проведен анализ работ, посвященных сучковатости различных сортиментов и раскрою пиловочных бревен с учетом расположения, количества, размеров и качества сучков.

Распределение сучков внутри пиловочных бревен различной вырезки носит зональный характер. Выделяют три качественные зоны: сросшихся сучков, несросшихся сучков и бессучковую зону. Наибольшей протяженностью бессучковой зоны среди хвойных пород деревьев обладает сосна. При прочих равных условиях бессучковая древесина пригодна для получения пиломатериалов любого назначения.

Исследованием сучковатости деревьев и хлыстов в разное время занимались П.Г. Кроткевич, Н.П. Анучин, В.И. Левин, Л.В. Коротяев, О.И. Полубояринов, П.Н. Чернявский, В.К. Захаров, М.А. Венценосцева, Э.И. Княжевич. Установлено, что сучковатость деревьев зависит от породы, географической широты, типа леса, состава, полноты и возраста насаждения, лесохозяйственных работ. Наиболее выгодная сучковатость формируется у деревьев выросших в одновозрастных, густых насаждениях кисличного, черничного и частично брусничного типов леса. При этих условиях в комлевой части дерева формируется бессучковая зона, а размеры заросших сучков не превышают 10... 15 мм.

Раскрою пиловочных бревен на основе моделей сучковатости посвятили свои работы В.М. Лозинский, И.П. Крашенинников, Г.А. Елькин, Ю.Р. Бокщанин, Г.Д. Власов, П.П. Аксенов, С.Г. Нушкарев, Я.А. Ицкович, В.Ф. Ветшева, В.В. Кислый, К.А. Басанцев, Ф.Т. Тюриков, Ю. П. Тюкина, М.В. Колобова, Б.С. Цыкин. Среди исследователей нет общего принципа разбиения вершинного торца бревна на качественные зоны. Одни разбивают торец бревна на зоны сортности пиломатериалов, определенного стандарта, другие выделяют в вершинном торце зоны по наличию в них сучков, определенного качества, количества и размеров.

Во всех моделях сучковатости бревен недостаточно отражен вопрос о точности границ качественных зон. Модели, полученные разными авторами, трудно сравнивать друг с другом из-за отсутствия единой методики установления границ рассматриваемых зон.

Исследователи сходятся во мнении, что раздельная распиловка бревен разных качественных групп является эффективной. Однако, между исследователями нет единства в показателях, посредством которых необходимо определять размеры и форму качественных зон. Среди показателей наибольшее распространение получили: вершинный диаметр, сбег, отсутствие или наличие наружных сучков, место вырезки из хлыста.

В методике составления поставов основные отличия касаются расположения пропилов или сечений пиломатериалов относительно границ

качественных зон. Одни исследователи считают, что с точки зрения качества получаемых пиломатериалов, рационально пропилы располагать так, чтобы все поверхности доски вписывались в пределы одной качественной зоны. Другие исследователи считают достаточным для повышения качественного выхода, если в пределах более качественной зоны бревна располагаются только кромки доски, а пласта могут пересекать смежные, менее качественные зоны. Недостатком большинства методик является то, что при расчете поставов не учитывается изменение размеров качественных зон по длине бревна.

В результате изучения состояния вопроса сформулированы задачи собственного исследования.

Во второй главе представлена методика построения модели сучковатости бревен. Для эффективного раскроя пиловочных бревен необходима информация об их сучковатости до распиловки. Такую информацию может дать модель сучковатости.

К модели сучковатости предъявляются требования: адекватности, полноты информации, точности, практической применимости.

В ходе проработки методики автором внесены новые термины: переходная и смешанная зоны бревна.

С позиции технологии лесопиления и деревообработки, необходимо выделить область, в которой заключены сучки, определить ее положение в бревне, форму и размеры. Новизна методики построения модели сучковатости заключается в выделении переходной и смешанной зон. Переходная зона появляется в результате неодинаковой длины сучков в каждой из мутовок. Она расширяет возможности получения бессучковых пиломатериалов. Для ее построения необходимо осуществить следующие действия:

- для каждого бревна выборки, спроецировать вершинки заросших сучков на продольную плоскость, проходящую через его ось (рисЛа);

- совместить результаты, полученные для каждого бревна (рис. 16);

- провести с требуемой точностью границы рассеивания проекций вершинок сучков, чтобы за пределы диапазона рассеивания выходило не более 5 - 10% вершинок сучков (рис. 16).

Осуществив подобные действия в отношении границ, разделяющих несросшуюся и сросшуюся части сучков, получим смешанную зону. Появление смешанной зоны обусловлено отсутствием в бревнах четкой границы между сросшимися и несросшимися сучками.

В направлении от внутренней границы переходной зоны к наружной, количество заросших сучков с некоторой интенсивностью понижается до нуля. В поперечном направлении смешанной зоны общее количество сучков остается постоянным, но изменяется соотношение между сросшимися и несросшимися сучками.

Согласно разработанной методике, в бессучковом бревне могут быть выделены шесть зон качества (рис. 2). Три по признаку количества сучков (постоянного количества сучков, переходная, бессучковая) и три по степени срастания сучков (сросшихся сучков, несросшихся сучков, смешанная). В трехмерном пространстве зоны качества представляют собой тела вращения,

симметричные относительно оси бревна (рис.1 в). Бессучковые пиломатериалы возможно вырабатывать гарантировано из бессучковой зоны и с некоторой вероятностью из переходной.

Рис. 1. Построение бессучковой и переходной зон: а) - проекции вершинок заросших сучков бревна; б) - границы переходной зоны на продольной плоскости; в) - переходная и бессучковая зоны в трехмерном пространстве.

Сучковая область может иметь ассиметрию относительно оси бревна. Асимметрия вызвана неравномерным освещением дерева в процессе его роста. Ось сучковой области будет иметь поперечное смещение и наклон относительно оси бревна. В поперечном сечении бревна, обладающего асимметрией сучковой области, толщина бессучковой зоны переменна. Эффективное использование такой модели в расчетах схем раскроя, предполагает знание связи величины и положения эксцентриситета сучковой области с визуальными параметрами бревна.

II 1 12

In ^

/ Ц

Рис 2 Зоны качества на продольном и поперечном сечениях бревна' I - сучковая область; II - бессучковая зона; II - зона сросшихся сучков; 1.2 - смешанная зона; 13 - зона несроспшхся сучков; 1а- зона постоянного количества сучков; 16- переходная зона; 13 а-зона с постоянным количеством несросшихся сучков; II I, 112, II3 - соответственно цилиндрическая, сбеговая и дополнительная составляющие бессучковой зоны.

Строить модель необходимо на основе однородной выборки бревен, в противном случае, модель будет не адекватно отражать расположение и размеры сучков отдельных бревен. Оценка однородности осуществляется по переходной и смешанной зонам.

К размерным параметрам зон качества относятся: толщина, объем и площадь поверхности зоны, а также математические характеристики образующих. К качественным параметрам зон относятся: распределение сучков по количеству и распределение сучков по диаметру. Данные параметры необходимы для расчета схем раскроя и оценки их эффективности.

Для разработки методики раскроя необходимо было составить модель сучковатости на примере обоснованной выборки пиловочных бревен.

В третьей главе представлена методика экспериментальных исследований. Определен объект исследования, выходной параметр и вид эксперимента, выделены факторы и определены их уровни, обоснован выбор метода изучения сучковатости и количество опытов.

Объектом экспериментального исследования являлись комлевые сосновые бревна, диаметром 28 см, длиной 6,1 м, не содержащие наружных сучков. Предметом исследования выступала внутренняя сучковатость бревен.

Для изучения внутренней сучковатости принят метод опытных распиловок. Бревна распиливали по брусово-развальной схеме раскроя на доски, толщиной 22 мм.

Количество бревен в выборке принято 10 штук. Определение количества бревен для опытных распиловок осуществлялось на основе предварительной информации, полученной в ходе изучения состояния вопроса и статистической обработки экспериментальных результатов собственных исследований.

В четвертой главе приведены результаты построения модели сучковатости комлевых сосновых бревен в соответствии с методикой изложенной в второй главе.

Средние значения параметров отобранных для исследования бревен составили: вершинный диаметр с1вт = 27,9 ± 0,2 см, диаметр ядра с1я = 19,2 ± 0,64 см, сбег 5 = 0,82 ± 0,08 см/м, возраст деревьев из которых получены бревна И=9Ъ,9± 5,6 лет, ширина годичного кольца И = 1,8 ± 0,11, мм.

Сучковатость всех бревен выборки является однородной. Проверка на наличие асимметрии показала, что можно применять модель с симметричными зонами качества. На графике, изображенном на рис.3, совмещены сучки всех бревен выборки.

Уравнения границ зон качества:

- наружной границы переходной зоны

К? = -0,Ю74Р + 0,9971йр + 9,685, (1)

- внутренней границы переходной зоны

я;;/" = -0,0931^ + 1,083^ + 4,925, (2)

- наружной границы смешанной зоны

К& =-0,0874 +1,2501ф +3,442,

- внутренней границы смешанной зоны

&сЛ = 0,297Ьбр +1,909.

(4)

3 4 5 6 Длина бревна, Ьб„ , м

Рис. 3. Расположение границ зон качества: 1 - наружная граница переходной зоны

(совпадает с границей сучковой области); 2 - внутренняя граница переходной зоны;

3 - наружная граница смешанной зоны; 4 - внутренняя граница смешанной зоны; 5 - поверхность бревна; 6 - точка, соответствующая вершинке сучка; 7 - точка, соответствующая границе, разделяющая сросшуюся и несросшуюся сучка.

100

V? 90 в4

с 80

Длина бревна, , м

Рис. 4. Соотношение объемов зон качества: 1 - бессучковая зона; 2 - переходная зона; 3 - зона с постоянным количеством несросшихся сучков; 4 - смешанная зона; 5 - зона сросшихся сучков.

Границы зон качества проведены таким образом, что за пределы как переходной, так и смешанной зоны выходит по 5% точек. В трехмерном пространстве зоны качества представляют собой тела вращения, симметричные относительно оси бревна. Уравнения толщин и объемы зон качества представлены в таблице 1. На столбцах гистограммы (рис. 4) в м3 указаны объемы участков соответствующих зон качества.

Таблица 1.

Размерные параметры зон качества.

№ Название зоны (области) Уравнение толщины зоны Толщина зоны, А, см. Объем зоны, Км3 Площадь поверхности, м2

в верш торце в комл торце наружной внутрен ней

1 2 3 4 5 6 7 8

Бессучковая зона

11 Бессучковая зона =0,107/4 -1,3931,,, +6,731 2,0 6,8 0,205 5,9 4,4

112 Сбеговая составляющая ксбБс = 2,500 -0,410^ 2,5 0,0 0,079 5,9 5,4

111 Цилиндрическая составляющая 2,0 2,0 0,099 5,4 4,6

из Дополнительная составляющая = 0,1074 -0,099^+2,321 2,5 0,0 0,026 4,6 4,4

Сучковая область

1 Сучковая область ^=-0,1074, + 0,9971„р +9,685 12,0 9,7 0,250 4,4 -

Зоны, выделенные по степени срастания сучков

13 Зона несросшихся сучков V = -0,021/4 +6'244 6,2 4,2 0,173 4,4 2,4

12 Смешанная зона А^ =-0,0874, + 0,953£ф +1,533 4,1 1,5 0,061 2,4 1,1

11 Зона сросшихся сучков НГрС = 0,297£6> +1,909 3,7 1,9 0,016 1,1 -

Зоны, выделенные по количества сучков

16 Переходная зона И„, =-0,014/4 - 0,086/,^ +4,761 3,9 4,8 0,152 4,4 2,7

1а Зона постоянного количества сучков Ьпкг =-0,093^ -1,083^ +4,925 8,1 4,9 0,098 2,7 -

13а Зона постоянного количества несросш. сучков Аптс =0,006/4 -0.,67Ч +1,483 1,5 0,2 0,021 2,7 2,3

Бессучковая зона имеет толщину в вершинном торце бревен порядка 2 см, в комлевом 6...7см, в зависимости от сбега. Данная зона самая большая по объему, так как она располагается на периферии бревна и на первых трех метрах от комлевого торца обладает значительной толщиной. Ее объем составляет 45% от объема бревна. Толщина переходной зоны практически постоянна по длине бревна и колеблется от 4 до 4,5 см. Ее объем составляет 74% от объема бессучковой зоны.

Диаграмма на рис. 5 позволяет проследить распределение несросшихся и сросшихся сучков в поперечном направлении бревна. Коэффициенты количества несросшихся (к) и сросшихся сучков (р) рассчитываются по формулам:

ДГ НСр „Ср

где

М"Ср - количество несросшихся сучков на »- м интервале толщины зоны качества, шт.;

Л^' - количество сросшихся сучков на ; - м интервале толщины зоны качества, шт.;

N — количество всех сучков в бревне, шт.

В пределах смешанной зоны взаимосвязь между коэффициентами можно записать в виде формулы р = \ - к. Практическая ценность полученных распределений заключается в возможности определять, на любом участке бревна, количество несросшихся и сросшихся сучков. Из диаграммы следует, что на участке от 10 до 12 см радиуса бревна, количество сучков незначительное, следовательно, в этих пределах возможно получать с некоторой вероятностью бессучковые пиломатериалы.

Радиус бревна, Лц,, см

Рис. 5. Распределение сучков в поперечном направлении бревна: БНСА - сросшихся сучков; Е01АК - несросшихся сучков; вМ - заросших сучков в пределах переходной зоны; АК -бессучковая зона; АВ - переходная зона; ОС - смешанная зона; Е1) - зона сросшихся сучков.

Среднее количество сучков в шестиметровом комлевом бревне составило 70 шт.

Средний диаметр сучков бревен выборки составил 9,6 ± 0,4 мм при уровне значимости ц = 0,05. Теоретически, общее распределение сучков по диаметру подчиняется закону распределения Пирсона III (рис.6):

» = (0,80И-0,948)2Л65е2-607-0-377^

(6)

Согласие между экспериментальным и теоретическим распределениями оценивалось с помощью критерия Пирсона. Наиболее распространенными являются сучки размером от 5 до 10 мм, составляющие около 46% от всех сучков.

'10 15 20

Диаметр сучков, мм

Рис. б. Кривая распределения сучков по диаметру (Пирсона III).

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Радиус бревна, К,ф , см

Рис. 7. Математическая модель диаметра сучков' 1,2 б - зависимости, характеризующие диаметр сросшихся сучков соответственно на первом, втором ... шестом метрах бревна, считая от комлевого торца; I7, 2' б' - то же, но для несросшихся сучков.

В результате регрессионного анализа были получены уравнения, характеризующие размеры несросшихся и сросшихся сучков (рис.7). Регрессионное уравнение диаметра несросшихся сучков: с1нс =2,329 + 1,007Д6р +0,1201^ -0,056^ .

Регрессионное уравнение диаметра сросшихся сучков: йсрс = 5,227 + 1,097^ +0,186^ .

(7)

Уравнения 7 и 8 является адекватным. Проверка на адекватность осуществлялась с помощью критерия Фишера.

В пятой главе дана методика раскроя пиловочных бревен с учетом их сучковатости.

Для выявления возможности получения пиломатериалов с бессучковыми поверхностями были проведены теоретические исследования. Для бревен выборки определялась вероятность р', с которой поверхность доски г'-ой ширины, расположенной на у-ом участке радиуса бревна, не будет содержать сучков (рис.8 а, б).

Рис. 8. Схема к определению возможности получения бессучковой пилопродукции: 1 - поверхность бревна; 2, 3 - соответственно наружная и внутренняя границы переходной зоны в вершинном торце бревна; 4 - проекция заросших сучков бревна на его вершинный торец.

р'ч - -- -- - (9)

360

где

р* - угол сектора, в пределах которого пласть доски ¡-ой ширины, расположенная на /-ом участке радиуса бревна, будет бессучковой (рис. 8 б); к - число секторов с углом р.

В пределах бессучковой зоны р ч = 1, а в пределах переходной зоны р'ч изменяется от 1 до 0.

В результате теоретического исследования получен график вероятности бессучковой поверхности доски (заготовки) (рис.9). При пересечении доской переходной зоны на ее поверхностях можно выделить зону вероятного появления сучков (рис.10). Такая доска может оказаться без сучков с вероятностью, определяемой по линиям А (рис.9). Во всех остальных случаях на поверхность доски выйдут сучки, причем на участке Ь5 гарантировано, а на

и

Длина бессучкового участка доски, Ь, м

Радиус бревна, ЯвР , см

Рис. 9. График вероятности бессучковой поверхности доски (заготовки): А - распределение вероятности /У. с которой можно ожидать, что пласть доски г-ой ширины, расположенная на /-ом участке радиуса бревна окажется бессучковой; В - распределение вероятности р/' того, что доска, на поверхность которой вышли сучки будет иметь бессучковый участок длиной Ь метров и более, считая от комлевого торца; С - линии связи между А и В.

участке Ьз с вероятностью, определяемой по линиям В. Следовательно, из переходной зоны, наряду с бессучковыми досками полной длины (£д), возможно получать укороченные бессучковые доски длиной от Ь; до Ь4, определяемой по верхней шкале графика на рис.9. Линия под буквой 5 получена для досок с шириной равной или большей ширине соответствующего сечения переходной зоны в вершинном торце бревна. Линии под цифрами, рассчитаны для пиломатериалов шириной соответственно

Рис. 10. Зона вероятного появления сучков на поверхностях пиломатериалов: - длина гарантированного бессучкового участка; - длина зоны вероятного появления сучков; ¿з -длина вероятного бессучкового участка; ¿4 - длина максимально возможного бессучкового участка; Ь5 - длина минимально возможного участка с сучками; £„- длина доски.

50 и 75 мм. Распределения А и В являются взаимосвязанными и переход осуществляется по линиям связи.

На основе модели сучковатости разработана графическая система для расчета схем раскроя (рис.11). Основным ее элементом является график-квадрант, который сочетает в себе размерные параметры зон качества. Дополнительными элементами могут выступать: график вероятности бессучковой поверхности доски (заготовки), диаграмма распределения сучков, график диаметра сучков, график расстояний между мутовками.

Анализируя требования различных стандартов и потребителей, пиломатериалы, в зависимости от наличия сучков, можно поделить на три группы: бессучковые, условно-бессучковые и сучковые (табл.2). В свою очередь, условно-бессучковые пиломатериалы делятся на три подгруппы. По данным ряда предприятий цены на бессучковую пилопродукцию в 3 - 6 раза выше, чем на бессортные пиломатериалы ГОСТ 26002-83, в зависимости от размеров, расположения годичных слоев, наличия клеевых соединений, содержания ядровой древесины.

Таблица 2.

Расположение зоны вероятного появления сучков на торце доски

Бессучковые Условно-бессучковые Сучковые

4БП ЗБП 2БП 1БП ЗС1 4С

ИЙМ шшш ЩШЩКЩ|

Получение пиломатериалов заданной сучковатости гарантировано

— —

_____ 1---- 1

— — — — —

—

Получение пиломатериалов заданной сучковатости с некоторой вероятностью

| ____ N V---- ----"Ч и- г ч

---

_____ г"--- И- 1

— ---- --- _

—

----> К "^Ч г ч г

— —

г 1 1 1

В табл. 2 показано, каким образом ориентировать сечение доски в поставе относительно наружной границы переходной зоны, чтобы гарантировано или с некоторой вероятностью получить пиломатериалы заданной сучковатости.

Найдены размеры и расположение бессучковых досок, обеспечивающие их наибольший объемный выход. Для этого решалась задача на максимум объема доски вписанную в бессучковую и переходную зоны. Размеры доски получились следующие: толщина а = 21,0 мм; ширина Ь = 106,5 мм; длина / = 4,75 м. При условии, что длина доска должна быть вписана только в бессучковую зону: толщина а = 23,9 мм; ширина Ь = 116,1 мм; длина I = 3,0 м.

Разработан алгоритм составления схем раскроя комлевых сортиментов:

1. Составление схемы раскроя следует начинать с бессучковой зоны, а затем с переходной.

2. Сначала необходимо вписывать бессучковые пиломатериалы, затем условно-бессучковые, при этом стремясь, чтобы их общий стоимостной выход был как можно большим.

3. Чтобы доска была бессучковой или условно-бессучковой, ее необходимо располагать относительно наружной границы переходной зоны согласно таблице 2.

4. При проектировании брусо-развальных и брусово-сегментных схем раскроя толщина бруса должна колебаться в пределах (0,35.. Д6)£/.

5. В целях полного использования бессучковой зоны, важно при обрезке досок с первого прохода предусматривать рейки шириной 20—40 мм, для последующего обреза и склеивание по ширине (рис.12; 4, 5).

6. Для лучшего использования бессучковой и переходной зон допускается включать в постав доски с разницей по толщине менее чем 5.. .6 мм.

7. Так как вся бессучковая зона или ее значительная часть располагается в параболической зоне бревна, то для повышения объемного выхода целесообразно вырабатывать бессучковые доски с укорочением, а из отрезков (если их длина 1.. .2,5 м) ламели для последующего их сращивания по толщине и длине (рис.12; 5,6).

Для распиловки бревен, не содержащих наружных сучков целесообразно применять индивидуальный способ раскроя. За основу необходимо брать схему раскроя, рассчитанную с помощью графической системы. Рациональным является использование брусово-сегментного способа раскроя. При этом, раскрой сегментов должен осуществляться на делительных станках. Толщину сегмента и схему его раскроя необходимо рассчитывать с помощью графической системы.

Учитывая размеры и расположение переходной зоны при составлении схем раскроя можно добиться повышения выхода бессучковых пиломатериалов на 1,6 - 2,0% и условно-бессучковых на 2,3 - 4,5%. При этом общий объемный выход рассматриваемых пиломатериалов может составлять порядка 21,5-26,0% (табл.3). По значениям ценностных выходов можно сделать вывод о том, что комлевые бревна, не содержащие наружных сучков, целесообразно раскраивать на бессучковую и условно-бессучковую пилопродукцию.

1 3 4 5 6

Рис. 12. Бессучковая пилопродукция: 1 - доска полной длины; 2 - укороченная доска; 3 - доска склееная по длине; 4, 6 - доска склееная по ширине; 5 - доска склееная по длине и ширине; 6 - доска склееная по длине, ширине и толщине.

ов

Таблица 3.

Объемный выход бессучковых и условно-бессучковых пиломатериалов.

Толщина бруса, Н. Объемный выход пиломатериалов, % Общий ценностный выход**

Бессучковых Условно-бессучковых Всего

1* 2,3 1,2,3 4,5 6 Общий 1,2,3

(0,35...0,45У 0...4,7 2,8...10,0 7,5...10,0 4,8...6,3 0...1,2 12,8.. .16,0 9,0...11,0 22,5...26,0 1,8...2,0

(0,46...0,65У 0...4,7 2,8...10,0 7,5. ..10,0 0...2.3 0...1,2 7,5...11,0 12,7...15,6 21,5...24,0 1,5...1,8

* - цифры в третьей строке таблицы соответствуют обозначения на рис. 12.

** - ценностные коэффициенты бессучковых и условно-бессучковых пиломатериалов приняты соответственно 3,5 и 1,8. За единицу принята цена бессортных пиломатериалов по ГОСТ 26002-83.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана научно обоснованная методика построения модели сучковатости бревен, при этом выделена переходная зоны, позволяющая выявить новые подходы к рациональному раскрою комлевых бревен.

2. По результатам экспериментальных исследований построена модель сучковатости комлевых сосновых бревен. Определен характер зарастания сучков в переходной зоне.

3. Из переходной зоны можно выкраивать с некоторой вероятностью бессучковые и условно-бессучковые пиломатериалы. Особенность последних в том, что бессучковой является наружная (лицевая) пласть. В результате объемный выход данных пиломатериалов может составить 21-26 %, из которых на долю бессучковых приходится 10 - 16 %.

4. Установлена вероятность получения бессучковых пиломатериалов в пределах переходной зоны. Использование переходной зоны в составлении схем раскроя дает прирост в выходе бессучковых пиломатериалов 1,6 - 2,0% и в выходе условно-бессучковых пиломатериалов 2,3 - 4,5%.

5. Разработана графическая система расчета схем раскроя комлевых бревен, сочетающая в себе размерные и качественные характеристики бессучковой и переходной зон. Предложенная система рекомендуется для практического расчета схем раскроя и оценки их эффективности.

6. Разработан алгоритм для расчета схем раскроя комлевых пиловочных бревен. Составление схемы раскроя необходимо начинать с бессучковой и переходной зон. Объемный выход бессучковой пилопродукции можно увеличить, за счет выработки клееных досок, брусков, заготовок из реек и горбылей.

7. Для раскроя бревен, не содержащих наружных сучков, рекомендуется применять индивидуальный или брусово-сегментный способы раскроя.

8. Использование схем раскроя, ориентированных на получение бессучковых и условно-бессучковых пиломатриалов из комлевых пиловочных бревен может повысить ценностный выход в 1,5...2 раза по сравнению с раскроем этих бревен на экспортные пиломатериалы (ГОСТ 26002-83).

»133 27

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОСВЕЩЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Братилов Д. А., Голяков А. Д. Качество пиловочных бревен в зависимости от места вырезки из хлыста / Сборник научных трудов, выпуск VII. Архангельск: АГТУ, 2001 - 19 - 22.

2. Братилов Д. А., Голяков А. Д. Выборочная технологическая модель сучковатости комлевых сосновых бревен // Изв. вузов. Лесн. журн. - 2004. -N1 -С.67- 76.

3. Братилов Д. А. Математическая модель диаметров сучков для комлевых сосновых бревен // Изв. вузов. Лесн. журн. - 2004. -N2 - с.110 - 113.

4. Братилов Д. А. Совершенствование раскроя комлевых сосновых бревен /

Материалы международной молоде^^« т""'"—" —х----

"Севергеоэкотех-2004". Ухта: УГТУ, 2(

Ваши отзывы на автореферат в дв; подписями просим направлять по адресу: 10Л ии2, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, АГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.008.01 Земцовскому А.Е.

Сдано в произв. 25.05.2005. Подписано в печать 25.05.2005. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Заказ № 130. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии Архангельского государственного технического университета

163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17

РНБ Русский фонд

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса.

1.1. Сучковатость пиловочных бревен.

1.1.1. Бессучковая зона.

1.1.2. Сучковая зона.

1.1.3. Теоретическая модель бревна.

1.2. Методы изучения сучковатости.

1.3. Признаки разделения бревен на группы качества.

1.4. Раскрой пиловочных бревен с учетом их качественных характеристик.

1.5. Выводы по главе.

1.6. Цель и задачи собственного исследования.

Глава 2. Методика построения модели сучковатости бревен.

2.1 Постановка вопроса.

2.2 Основные положения методики.

2.3 Характеристики зон качества.

2.4 Выводы по главе.

Глава 3. Методика проведения экспериментальных исследований.

3.1. Объект и метод исследования.

3.2. Факторы, влияющие на выходной параметр объекта исследования.

3.2.1. Классификация по типам факторов.

3.3. Выбор и обоснование уровней факторов.

3.4. Обоснование количества опытов.

3.5. План эксперимента.

3.6. Замеряемые и вычисляемые параметры бревен.

3.7. Особенности отбора комлевых бревен.

3.8. Паспортизация досок.

3.9. Построение индивидуальной модели бревна.

Глава 4. Модель сучковатости комлевых сосновых бревен.

4.1. Параметры отобраных пиловочных бревен.

4.2. Размерные параметры зон качества.

4.2.1. Границы зон качества.

4.2.2. Толщина и объем зон качества.

4.2.3. Объемные геометрические модели зон качества.

4.3 Качественные параметры зон.

4.3.1. Распределение сучков по их количеству.

4.3.2. Распределение сучков по диаметру.

4.3.3. Математическая модель диаметра сучков.

4.3.4. Расстояние между мутовками.

4.3.5. Угол прикрепления сучков.

4.4. Выводы по главе.

Глава 5. Технология раскроя комлевых пиловочных бревен.

5.1 Возможность получения бессучковых пиломатериалов.

5.2 Систематизация информации о сучковатости бревен.

5.3 Анализ требований к качеству и размерам пиломатериалов, предъявляемых различыми стандартами.

5.4 Раскрой комлевых пиловочных бревен и оценка эффективности схем раскроя.

5.5 Выводы по главе.

Выводы Литература Приложение

В пиловочном сырье особое место занимают сортименты, не содержащие наружных сучков. У таких сортиментов сформирована бессучковая зона. Это в основном комлевые бревна.

Пиломатериалы, полученные из бессучковой зоны, отвечают самым высоким требованиям рынка. Такие пиломатериалы пользуются спросом в деревообработке (столярные изделия, дверные и оконные блоки, профильные погонажные изделия, облицовка интерьеров, заготовки различного назначения и т.д.) и мебельном производстве. В настоящее время бревна, не содержащие наружных сучков, раскраиваются по общей технологии, принятой на предприятиях, на пилопродукцию определенного назначения, например, на экспортные пиломатериалы (ГОСТ 26002-83). При этом бессучковая зона бревна в лучшем случае идет на бессортные пиломатериалы, цена которых в несколько раз ниже, чем бессучковых.

В ранее выполненных исследованиях модель бревна и способы раскроя на бессучковые пиломатериалы рассмотрены достаточно узко, с привязкой к конкретному виду пилопродукции, что существенно ограничивает области их использования. Нет единого методического подхода к определению границ, размеров и формы бессучковых зон.

Поэтому совершенствование раскроя пиловочных сортиментов, не содержащих наружных сучков является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение эффективности раскроя комлевых сосновых бревен, за счет увеличения выхода бессучковых пиломатериалов.

В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи.

1. Разработать методику построения модели сучковатости бревен с учетом размеров и формы зон качества и насыщенности их сучками.

2. Провести экспериментальные исследования сучковатости комлевых пиловочных бревен, с целью выявления основных параметров зон качества.

3. Разработать модель сучковатости комлевых сосновых бревен.

4. Разработать методику раскроя пиловочных бревен с учетом максимального использования бессучковой зоны.

Объект исследования — технология раскроя бревен на пиломатериалы; предмет исследования — зоны качества комлевых сосновых бревен.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработаны научно обоснованная модель сучковатости и методика ее построения, наиболее полно отражающие параметры зон качества комлевых пиловочных бревен.

2. Впервые выделена переходная зона, позволившая выявить новый подход к рациональному раскрою комлевых бревен.

3. Предложена методика расчета эффективных схем раскроя высококачественных пиловочных бревен на основе разработанной автором графической системы, учитывающей расположение, размеры и форму зон качества.

На защиту выносится.

1. Новая модель сучковатости комлевых сосновых бревен и методика ее построения, позволяющая выделить основные параметры зон качества.

2. Графическая система расчета схем раскроя комлевых сосновых бревен с учетом впервые выделенной переходной зоны, что позволяет повысить ценностный выход пиломатериалов.

3. Технология эффективного раскроя комлевых пиловочных бревен, не содержащих наружных сучков.

1 Состояние вопроса

Выводы и рекомендации

1. Разработана методика построения модели сучковатости бревен, при этом выделена бессучковая и переходная зоны, позволяющие выявить новые подходы к рациональному раскрою комлевых бревен.

2. Из переходной зоны можно выкраивать с некоторой вероятностью бессучковые и условно-бессучковые пиломатериалы. Особенность последних в том, что бессучковой является наружная (лицевая) пласть. В результате объемный выход данных пиломатериалов может составить 21 — 26 %, из которых на долю бессучковых приходится 10 — 16 %.

3. По результатам экспериментальных исследований построена модель сучковатости комлевых сосновых бревен. Установлено, что объем древесины, в пределах которой возможно получать бессучковую пилопродукцию составляет 2/3 от объема бревна. Определен характер зарастания сучков в переходной зоне.

4. Установлена вероятность получения бессучковых пиломатериалов в пределах переходной зоны. Использование переходной зоны в составлении схем раскроя дает прирост в выходе бессучковых пиломатериалов 1,6 — 2,0 % и в выходе условно-бессучковых пиломатериалов 2,3 — 4,5 %.

5. Разработана графическая система расчета схем раскроя комлевых бревен, сочетающая в себе размерные и качественные характеристики бессучковой и переходной зон. Предложенная система рекомендуется для практического расчета схем раскроя и оценки их эффективности.

6. Разработаны методические положения для расчета схем раскроя комлевых пиловочных бревен. Составление схемы раскроя необходимо начинать бессучковой и переходной зон. Объемный выход бессучковой пилопродукции, можно увеличить за счет выработки клееных досок, брусков, заготовок из реек, горбылей и отрезков.

7. Для раскроя бревен, не содержащих наружных сучков, рекомендуется применять индивидуальный или брусово-сегментный способы раскроя.

8. Использование схем раскроя, ориентированных на получение бессучковых и условно-бессучковых пиломатриалов из комлевых бревен может повысить ценностный выход в 1,5.2 раза по сравнению с раскроем этих бревен на экспортные пиломатериалы (ГОСТ 26002-83).

152

1. Червинский В. А. Раскрой древесных хлыстов. — Воронеж.: ВГТУ, 1982. — 64 с.

2. Захарьин Г. И, Исследование зависимости выхода пиломатериалов от размерно-качественных факторов соснового пиловочного сырья и поставов. Автореферат . к.т.н. М., МЛТИ, 1976, 18 с.

3. Лапиров-Скобло С.Я. Лесное товароведение. — М.: Высшая школа, 1968, 463 с.

4. Кроткевин П. Г. Выращивание высококачественной древесины. — М. — Л.: Гослесбумиздат, 1955. — 180 с.

5. Технология пиломатериалов. Учебник для вузов. Аксенов П. П., Макарова Н.С., Прохоров И.К., Тюкина Ю.П. М.: Лесная промышленность, 1976, 480 с.

6. Кошуняев Б. И. Оптимальная переработка сырья в лесопилении. — М.: Лесная промышленность, 1979. — 104 с.

7. Пуолакайнен Л.М. Зависимость объемного выхода экспортных еловых пиломатериалов от размерно-качественных характеристик сырья. Автореферат . к.т.н. Красноярск, 1983, 20с.

8. Полубояринов О.И. Оценка качества древесного сырья. — Л.: ЛТА, 1971, 70 с.

9. Грачев А. В. Рациональный раскрой пиловочного сырья на пиломатериалыв современных условиях. Л.: ЛТА, 1981. — 92 с.

10. Ю.Арлаускас Л. С., Тябера А. П. Закономерности сучковатости стволов в ельниках Литвы // Лесной журнал. — 1986. — N1-с. 13-16

11. П.Тюриков Ф. Т. Распределение всех сучков в деловой части хлыста корейского кедра // Лесной журнал. 1966. — N6 — с. 100 — 101

12. Анучин Н. П. Лесная таксация. — М.: Лесная промышленность, 1982.—552 с.

13. Венценосцева М. А. Закономерности распределения пороков древесины в сосняках // Лесной журнал. 1967. — N3 — с. 156 — 157.

14. Венценосцева М.А. Влияние условий происхождения сосны на качество древесины // Современные проблемы древесиноведения: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. — Воронеж, 1981, с. 106 —108

15. Крашенинников И.П. Исследование распиловки сосновых бревен на высококачественные пиломатериалы, дисс. к. т. н. М, МЛТИ, 1961, 150 с.

16. Коротяев JI.B. Параметры деревьев и хлыстов как объектов лесозаготовительного производства: Учебное пособие. — Л.: JITA, 1982, 80 с.

17. Левин В.И. Сосняки Европейского Севера. М.: лесная промышленность, 1966, 152 с.

18. Полевой справочник таксатора. Гусев И.И., Калинин В.И., Неволин О.А., Нефедов Н.М., Шишкин Н.А., Архангельск: АЛТИ, 1971. 196 с.

19. Чернявский П.Н. Исследование длины бессучковой зоны хлыстов // Механическая технология древесины: Выпуск 2. — Минск, Высшейшая школа. 1972. с. 56-61

20. Кислый В. В. Исследование и разработка показателей качества листвин-ничного пиловочного сырья и пилопродукции из него. Автореферат . к.т.н. М., МЛТИ, 1970, 32 с.

21. Басанцев К.А. Что нужно знать распиловщику о поставе. — М.: Гослесбумиздат, 1932. 111с.

22. Бокщанин Ю.Р. Обработка и применение древесины лиственницы. — М.: Лесная промышленность, 1982. — 216 с.

23. Елькин Г.А. Раскрой сосновых бревен на палубо-шлюпочные пиломатериалы. — М. Гослесбумиздат, 1957. — 44 с.

24. Лозинский В.М. Проект посортного деления и посортных признаков сосновых пиловочных бревен // Отчет ЦНИИМОД. — Химки, 1941.

25. Власов Г.Д. Лесопильное производство. М.: Гослесбумиздат , 1948. — 400 с.

26. Нушкарев С.Г. Исследование способов раскроя соснового сырья на авиационную пилопродукцию. дисс. к.т.н. Л, МЛТА, 1974, 18 с.

27. Ицковиц Я. А., Бабмуратов A.M., Хон Е.В. Зоны распределения сучков в хлыстах сосны и математические модели границ их залегания // Научные труды ЦНИИМОД. Архангельск, 1985, с. 70 - 73

28. Ветшева В. Ф. Раскрой крупномерных бревен на пиломатериалы. — М.: Лесная промышленность, 1976, 168 с.

29. Крашенинников И. П. Исследование распиловки сосновых бревен на высококачественные пиломатериалы. Автореферат . к.т.н. М, МЛТИ, 1961,20 с.

30. Крашенинников И. П. Способы выработки высококачественных пиломатериалов. М.: Лесная промышленность, 1960 — 28 с.

31. Тихомиров Б. Н. Пороки в пиловочных бревнах древесины сосны // Механическая обработка древесины. — 1940. — N 8 — с. 38 — 41

32. Молчанов Г. Е. Качество соснового пиловочника, поступающего на архангельские лесозаводы по Северной Двине // Механическая обработка древесины. 1940. - N2 - с. 14 - 20

33. Власов Г.Д. Методы расчета поставов. — М. — Л.: Гослесбумиздат, 1950, 80 с

34. Копейкин A.M. О теоретической' модели бревна // Научные труды ЦНИИМОД (Комплексное использование сырья). — Архангельск, 1979, с.52-54

35. Полубояринов О. И. Сучковатость древесного сырья. Л.: ЛТА, 1972, 56 с.

36. Бокщанин Ю.Р. Исследование распространения пороков в пиломатериалах из лиственничного сырья на Красноярской группе лесозаводов, дисс . к.т.н. М., МЛТИ, 1954, 229 с.

37. Малыгин С.И. Методика опытных распиловок и установления нормативов посортных выходов пиломатериалов. — Архангельск: ЦНИИМОД, 1968. — 39 с.

38. Тюриков Ф.Т. Сравнительная характеристика методов определения качества пиловочного сырья // Труды СТИ. — Красноярск, 1966, с.151 153

39. Аксенов П.П. Раскрой бревен на пиломатериалы. — М — Л.: Гослесбумиздат, 1951, 176 с.

40. Горбачева JI.H. К вопросу распределения сучков на поверхности сосновых бревен. // Научные труды МЛТИ. — М, 1973, выпуск 56, с.27 — 30

41. Шалаев В. С. Результаты изучения распределения сучков на поверхности еловых пиловочных бревен // Лесной журнал. — 1976. — N5 — с. 137 — 14043.3аливко Б. М. подбор соснового пиловочного сырья по качеству // Лесной журнал. 1970. - N5 - с.67 - 71

42. Нушкарев С.Г., Носкова З.А. О предельном допускаемом размере сучка в сосновом пиловочнике // Научные труды ЦНИИМОД (Комплексное использование сырья). — Архангельск, 1979, с.52 — 54

43. Лапин Г.П. Некоторые итоги изучения размерно-качественных особенностей соснового сырья и планирование его раскроя на Игарском ЛПК за 1969-1071 гт. М.: Труды МЛТИ, 1947, с. 30 - 40

44. Крашенинников И. П. Способы повышения выхода высококачественных пиломатериалов // Лесная промышленность. — 1960. N4 — с.23 — 24

45. Турольски Е. Из исследований по влиянию сбежистости соснового пиловочника на расположение величины и количества сучков // Лесной журнал. 1964.-N4-с. 97-101

46. Колобова М. В., Цыкин Б. С. Влияние качества древесины сосновых бревен на сортность пиломатериалов // Лесная промышленность. — 1954. — N4 — с.29-30

47. Кошуняев Б. И. Оптимизация переработки сырья в лесопилении. М.: Лесная промышленность, 1987. - 112 с.

48. Ветшева В.Ф. Пособие по раскрою пиломатериалов с учетом ценностного выхода: Методические указания к курсовому проектированию. — Красноярск: СЛТИ, 1990. 36 с.

49. Кошуняев Б.И. Размерно-качественный состав распиливаемого сырья и эффективность лесопиления.— М.: ВНИПИЭИлеспром, 1977, 26с.

50. Нушкарев С.Г. Исследование способов раскроя соснового сырья на авиационную пилопродукцию. Автореферат . к.т.н. Л, МЛТА, 1974, 18 с.

51. Венгерт Д. От древесины до готового продукта // Дерево.1Ш — 2002. — №5-6 с. 50-57

52. Ветшева В. Ф. Теоритические и экспериментальные исследования раскроя крупномерных пиловочных бревен хвойных пород Сибири и Дальнего Востока. Автореферат . д.т.н. Л, JITA, 1974, 44 с.

53. Ветшева В. Ф. Организация раскроя бревен с учетом качества пиловочника и вырабатываемой пилопродукции // Деревообрабатывающая промышленность.-2002. №6-с. 10-12

54. Крашенинников И. П. Влияние брусовки на качество пиломатериалов // Лесная промышленность. — 1960. — N4 — с.23 — 24

55. Песоцкий А.Н. Лесопильное производство. — М.: Лесная промышленность, 1970-432 с.

56. Ицковиц Я. А. Универсальный график составления поставов с учетом качественного выхода экспортных пиломатериалов из комлевых пиловочных бревен // Научные труды ЦНИИМОД. — Архангельск, 1985, с. 74 79

57. Малыгин С.И. Шатилов Б.А. Афанасьев В.М. Перспективные направления развития лесопиления. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1977, 40с.

58. Елькин Г.А. Зависимость между размерами сучков в бревнах и пиломатериалах // Труды ЦНИИМОД. — Химки, 1958, 24 с.

59. Peter R., Bamping J. Theoretical Sawing of Pine Logs. Forest Products Journal 1962 №11, p. 549-557