автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Технология производства заготовок из термически модифицированной древесины

На правах рукописи

005015588

ВЛАДИМИРОВА Елена Григорьевна

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ИЗ ТЕРМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 МАР 2012

Москва-2012

005015588

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Рыкунин

Станислав Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Пищик Игорь Израилевич

кандидат технических наук, доцент Мишков Сергей Николаевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное об-

разовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский национальный исследовательский технологический университет (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»), г. Казань

Защита состоится «16» марта 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 при Московском государственном университете леса по адресу: 141005, Московская область, Мытищи-5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета леса.

Автореферат разослан «15 » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Рыбин Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В связи с повышенным спросом на применение массивной древесины в самых разнообразных сферах деятельности и заинтересованности потребителя в использовании натуральных, экологически чистых материалов возник интерес к термической модификации древесины. Поэтому актуально изучение ее свойств, в сравнении с немодифицированной древесиной. С учетом повышенных затрат на изготовление, необходимо совершенствование технологий производства заготовок из термически модифицированной древесины, учитывающих характеристики качества пиломатериалов.

ТТель и чагтачи ирглелппании. Ралпабптка эЛтектигтой necvncocftene-

Т ■ — ---' Т ---- -------(—>----------- - ■ - " X А 1- ■ 1.....1

гающей технологии выработки заготовок, на основе исследований свойств термически модифицированной древесины, теории раскроя и математических методов оптимизации.

В соответствии с поставленной целью работы решались следующие задачи.

1. Проведение исследований свойств термически модифицированной древесины в сравнении с немодифицированной.

2. Разработка метода оценки качества пиломатериалов, предназначенных для раскроя.

3. Разработка модели оптимизации выработки термически модифицированных и немодифицированных заготовок из пиломатериалов при поперечном их раскрое по критерию прибыли.

4. Внесение изменений в технологию производства термически модифицированных заготовок по результатам выполненных исследований и решений модели оптимизации.

Методы исследования. Образцы для исследования заготавливались на предприятиях лесопильно-деревоперерабатывающей промышленности.

Экспериментальные данные получены в лабораторных условиях, обработка результатов осуществлялась методами математической статистики.

Раскрой бревен на пиломатериалы проводился в производственных условиях, при этом проводилось фотографирование и паспортизация досок.

Имитация раскроя пиломатериалов на заготовки осуществлялась с помощью компьютерной программы «AutoCAD», в которую вводились цифровые фотографии досок.

Реализация разработанной математической модели выработки термически модифицированных и немодифицированных заготовок из пиломатериалов осуществлялась с помощью компьютерной программы «Раскрой».

Научные положения, выносимые на защиту. Результаты исследований физико-механических свойств термически модифицированной древесины различных пород в сравнении с немодифицированной древесиной.

Метод оценки качества пиломатериалов по суммарной длине бездефектных участков и величине выхода основной заготовки.

Метод расчета выхода коротких заготовок из бездефектных участков пиломатериалов.

Оптимизационная математическая модель выработки термически модифицированных и немодифицированных заготовок из пиломатериалов при поперечном их раскрое по критерию прибыли.

Научная новизна результатов работы. Получены дополнительные данные по физико-механическим свойствам термически модифицированной древесины различных пород в сравнении с немодифицированной древесиной.

Выявлено, что качество образцов после термического модифицирования бревен, оказалось ниже по сравнению с образцами, полученными после модифицирования пиломатериалов.

Предложена оценка качества пиломатериалов по суммарной длине бездефектных участков и величине выхода основной заготовки.

Разработан метод расчета выхода коротких заготовок из бездефектных участков с использованием методов математической статистики.

Разработана и получена в явном виде оптимизационная математическая модель выработки термически модифицированных и немодифицированных заготовок из пиломатериалов при их поперечном раскрое по критерию прибыли.

Достоверность и обоснованность научных результатов. В работе использовалось современное лабораторное оборудование, в том числе лаборатории Лаппеенрантского технологического университета (г. Лаппеенранта, Финляндия) и Исследовательского березового центра (Кот1 Кевкив, п. Руоколахти Финляндия), лаборатории Московского государственного университета леса, установки для проведения термической модификации торговой марки «Вакуум Плюс». Объем экспериментальных работ и их математическая обработка обеспечивает достоверность результатов. Использование цифровых фотографий при раскрое пиломатериалов на заготовки повысило достоверность данных вводимых в компьютерную программу.

Личный вклад диссертанта в решение поставленных задач. Все теоретические и лабораторные исследования в работе выполнены автором самостоятельно. Автор лично спланировала, организовала и провела на базе Лаппеенрантского технологического университета, Исследовательского березового центра (Финляндия) и МГУЛ всю экспериментальную часть работы. Самостоятельно были проделаны работы по определению физико-механических свойств термически модифицированной древесины в сравнении с немодифицированной, а также работы по нахождению регрессионных уравнений объемного выхода основной заготовки и бездефектных участков. Автором лично выполнены разработка метода расчета выхода коротких заготовок из бездефектных участков, а также разработка оптимизационной математической модели выработки термически модифицированных и немодифицированных заготовок из пиломатериалов при их поперечном раскрое по критерию прибыли.

Практическая значимость работы. Разработана технология производства заготовок из термически модифицированной древесины, которая может быть использована на действующих и создаваемых лесопильно-

деревообрабатывающих предприятиях. Потребителям термической модифицированной древесины при анализе качества предлагаемого на рынке материала рекомендуется использовать данные полученные в диссертационной работе.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)» и п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».

Реализация результатов работы. Результаты исследования физико-механических свойств используются компанией - производителем установок для сушки и термической модификации древесины (торговая марки «Вакуум Плюс»), на ООО «Галицкий завод», компанией «Литинтермодом» для совершенствования технологических процессов сушки и термической модификации древесины.

Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре технологии лесопиления и деревообработки Московского государственного университета леса.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались:

- на пленарном заседании и конференции международной академии наук о древесине IAWS-2009, «Лес как возобновляемый источник жизненных ценностей в изменяющемся мире» (г. Москва, 2009 г.);

- на третьем российско-финляндском лесном саммите (г. Санкт-Петербург, 2009 г.);

- на международной научно-практической конференции «Культура дерева - дерево в культуре» (г. Ростов-Великий, 2010 г.);

- на ежегодных научно-технических конференциях МГУЛ (2010 г., 2011 г.);

- на конференции «Тенденции в мебельной промышленности на основе экологически чистых материалов» (г. Красноярск, 2011 г.);

- на четвертой международной конференции «Инновации в лесной промышленности и инженерном дизайне» INNO 2011IUFRO (г. София, Болгария).

Результаты исследований использованы при написании научно-исследовательских отчетов:

- «Исследование влияния свойств древесины березы на параметры пило-продукции: отчет о НИР (заключ.)»: № 1.35.07 / Московский государственный университет леса (МГУЛ); рук. С.Н. Рыкунин; исполн. Е.Г. Владимирова [и др.] -М., 2010. - 94 е.;

- «Разработка примерных образовательных программ профессионального цикла для магистров по направлению «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» с использованием результатов исследований научных школ: отчет о НИР (заключ.)»: № 3.1.1/9339 / Мо-

сковский государственный университет леса (МГУЛ); рук. В.Г. Санаев;

исполн. Е.Г. Владимирова [и др.] - М., 2011. - 132 с.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 научных трудов, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, указана цель и задачи исследования, приведены методы исследования, изложены научные положения, выносимые на защиту, а также научная новизна, достоверность и обоснованность научных результатов, указаны практическая значимость и реализация результатов работы.

В первой главе рассматривается литература по исследованиям свойств термически модифицированной (специально обработанной при высоких температурах от 160 до 240 °С, без добавления каких-либо химических веществ) древесины. Вопросами химических изменений в древесине во время обработки при повышенных температурах занимались Д.Н. Лекторский, A.A. Берлин, В.Г. Матвеев, Е. Windeisen, W. Gard. V. Möttönen, M. Bäckström, T. Kärki и другие изучали покоробленность термически модифицированной древесины; Е. Fruhwald, S. Poncsak, Е. Giebeler, Jun Li Shi прочность древесины. M. H. Akyil-diz и S. Ates рассматривали влияние высокотемпературной обработки на влаго-содержание некоторых древесных пород. Изучением влияния метода термообработки на уменьшение гигроскопичности и размероизменяемости древесины занимались П.С. Серговский, Л.О. Лепарский, Н.Я. Солечник, B.C. Чудинов, L.A. Hansen и A.I. Stamm и другие. Комплексным изучением термически модифицированной древесины занимались Технический исследовательский центр Финляндии (УТТ), D. Johansson, V. Erkki, С. Hill, В. Källander и С. Bengtsson, К. Luostarinen, M. Hyttinen, H. Militz, T. Syrjänen, W. Homan, A.O. Rapp, Xie Yan-jun и другие. Однако требуются дальнейшие исследования, что объясняется отсутствием четкой классификации режимов термической модификации древесины, а также технологических регламентов. Поэтому было необходимо провести сравнение свойств термически модифицированной древесины с немо-дифицированной.

Себестоимость изделий из термически модифицированной древесины значительно выше, чем из немодифицированной древесины за счет высокой себестоимости термически модифицированных пиломатериалов. Поэтому особое внимание целесообразно уделить технологии производства заготовок из этих пиломатериалов.

Вопросам раскроя пиломатериалов на заготовки посвящены работы П.П. Аксенова, Б.К. Лакатоша, Ю.П. Тюкиной, В.Ф.Ветшевой, А.Н. Песоцкого, B.C. Ясинского, С.Н. Рыкунина и ряда других. В этих работах приведена информа-

ция о способах раскроя пиломатериалов на заготовки, методах расчета выхода заготовок, оценке качества пиломатериалов, предназначенных для поперечного раскроя.

Также в главе приводится информация о существующих европейских и американских стандартах по оценке качества пиломатериалов.

Перечисленные исследования выполнялись для немодифицированных пиломатериалов. При разработке технологии производства термически модифицированных заготовок нужны другие подходы, которые могут быть основаны на новой оценке качества пиломатериалов, формировании групп качества пиломатериалов на основе теории раскроя и математических методов оптимизации.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям по определению физико-механических свойств термически модифицированной древесины. Приводится методика отбора образцов и расчета их необходимого количества. Испытания проводились на малых образцах. Использовались образцы древесины сосны, ели, березы, дуба, граба из различных мест произрастания. Исследования проводились в Финляндии в Исследовательском березовом центре (п. Руоколахти) и в Лаппеенрантском технологическом университете (г. Лаппеенранта), а также в России в Московском государственном университете леса. Образцы сосны и березы, заготовленные в Финляндии обрабатывались по финской технологии ТЪепжтоос!, при которой древесина нагревается до высоких температур 180-230 °С в присутствии пара. Образцы для испытаний в МГУЛ обрабатывались по технологии «Вакуум Плюс». Особенностью технологии является термическая модификация древесины в вакуумных и конвективных установках при температурах 160-220 °С.

В Исследовательском березовом центре Финляндии проводились испытания древесины после термической модификации на покоробленность. Для опыта были отобраны 333 доски размером 32x95x3500 мм, порода - береза. Основным критерием отбора было отсутствие покоробленности на пиломатериалах. Начальная влажность древесины соответствовала свежесрубленной. Пиломатериалы были высушены в камере конвективной сушки до транспортной влажности. Затем обработаны в камере для термической модификации в течение 40 часов до влажности 3-6% (1« 185-190°С). Затем образцы были измерены на наличие покоробленности по скандинавской методике учета пиломатериалов. Полученные данные занесены в протоколы испытаний.

В Лаппеенрантском технологическом университете Финляндии были проведены испытания на прочность древесины сосны на предварительно заготовленных термически модифицированных пиломатериалах. Имеющиеся пиломатериалы были получены из 86 стволов древесины, которые в свою очередь были распилены на 280 бревен. Длина бревен была 4,83 м и 3,10 м соответственно. Бревна были рассортированы на 4 группы: А (комлевое бревно), В (второе бревно, по направлению от комля к вершине), С1 (третье бревно, по направлению от комля к вершине), С2 (четвёртое бревно, по направлению от комля к вершине). Все бревна были распилены по 8-и поставам. Выпиленные пи-

ломатериалы имели следующие типоразмеры: сечения 25x100 мм, 38x100 мм, 50x150 мм, длина 4830 мм и 3100 мм. В процессе распиловки, каждой доске был присвоен код, который давал следующую информацию: номер постава, номер ствола, тип бревна, длина бревна, место расположения в бревне, расположение доски в поставе, направленность доски в поставе (справа, слева). Все пиломатериалы были обработаны по двум классам термической модификации Б (для хвойных пород I ~ 190 °С) и И (для хвойных пород I ~ 212°С). На малых образцах размером 20x20x300 мм исследовалась прочность древесины при статическом изгибе. Было испытано около 1300 образцов.

В Московском государственном университете леса были проведены экспериментальные исследования термически модифицированной древесины в сравнении с немодифицированной. По принятым методикам определялись: влажность, усушка, разбухание, влагопоглощение, водопоглощение, плотность, покоробленносгь, предел прочности при статическом изгибе, предел прочности при сжатии вдоль волокон, ударная вязкость при изгибе, статическая твердость древесины.

Работы проводились на образцах сосны из Брянской области, прошедших термическую модификацию в бревнах диаметром от 120 мм до 280 мм. Из немодифицированных и прошедших термическую модификацию бревен были выпилены пиломатериалы размером 50x150x3000 мм, (100 досок). Из пиломатериалов были изготовлены следующие образцы: 20x20x300 мм (200 шт.), 50x50x50 мм (100 шт.), 20x20x30 мм (200 шт.), 20x20x10 мм (500 шт.), на которых проводились испытания.

Также испытывались образцы березы и ели из Тверской области, которые были выпилены из пиломатериалов размеров 40x150x3000 мм (120 досок). Из пиломатериалов были изготовлены следующие образцы: 20x20x300 мм (120 шт.), 20x20x30 мм (240 шт.), 20x20x10 мм (600 шт.).

Испытывались образцы сосны, дуба и граба с Винницкой области Украины, которые прошли термическую модификацию в пиломатериалах, размером 50x150x3000 мм (130 досок). Из пиломатериалов были изготовлены следующие образцы: 50x50x50 мм (60 шт.), 20x20x300 мм (260 шт.), 20x20x30 мм (260 шт.), 20x20x10 мм (650 шт.).

Термически модифицированная древесина заготавливалась и испытывала«. вместе с немодифицированной при одинаковых условиях.

После заполнения протоколов испытаний была проведена статистическая обработка результатов.

Установлено, что необходима разработка нормативной документации для термически модифицированной древесины существующих стандартов с учетом международного опыта и особенностей древесины.

В третьей главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств. Образцы термически модифицированной и немодифицированной древесины сравнивались при их влажности в момент испытания, так как это наиболее интересный с точки зрения эксплуатации показатель. Обработка результатов испытаний проводилась по ГОСТ 16483.0-89.

По результатам исследования покоробленности пиломатериалов из березы в Исследовательском березовом центре Финляндии выявлено, что наиболее распространенным пороком после термической модификации является крыло-ватость - 91% из общего числа досок, значение от 5 до 10 мм; затем покороб-ленность продольная по кромке - 67%, значение от 3 до 6 мм; покоробленность продольная по пласта - 56%, значение от 3 до 6 мм и поперечная покоробленность только 3%, значение от 1 до 1,5 мм. Также замечено, что покоробленность продольная по пласти убывает по высоте штабеля, покоробленность продольная по кромке убывает по высоте штабеля, а крыловатость возрастает по высоте штабеля.

По результатам испытаний, проведенных в Лаппеенрантском технологическом университете Финляндии установлено, что предел прочности при статическом изгибе у образцов термически модифицированной древесины сосны снизился на 20%, по сравнению с ^модифицированной древесиной с 85 МПа до 68 МПа,

Прочность образцов термически модифицированной древесины сосны при статическом изгибе изменялась в зависимости от интенсивности выхода на максимальную температуру, при повышении интенсивности предел прочности уменьшился (прочность образцов, модифицированных при мягких режимах оказалась выше, чем прочность образцов модифицированных при форсированных режимах).

Класс термообработки (в зависимости от требования к конечным свойствам материала и назначения продукции) при испытаниях не оказал существенного влияния на прочность при статическом изгибе образцов термически модифицированной древесины.

Замечено изменение прочности термически модифицированной древесины при статическом изгибе в зависимости от места расположения древесины в бревне (зоны ствола). Прочность уменьшилась по направлению от комля к вершине, так, образцы, выпиленные из комлевой части бревна имели большую прочность, чем образцы, выпиленные из вершинной части бревна.

Прочность термически модифицированной древесины, при классах термообработки Б и О изменялась в зависимости от удаленности от центра бревна. Прочность возрастала по направлению от центральной зоны бревна к периферической.

В таблице 1 представлены результаты испытаний физико-механических свойств древесины, проведенных в МГУЛ. Из таблицы видно, что равновесная влажность, разбухание, усушка, влагопоглощение и водопоглощение термически модифицированной древесины всех пород, снижены по сравнению с показателями у немодифицированной древесины. Базисная плотность термически модифицированной древесины всех пород кроме сосны, повысилась по сравнению с плотностью немодифицированной древесины. Существенно (на 44%) снизился предел прочности образцов из березы. Что касается образцов древесины ели, граба и дуба, которые модифицировались в пиломатериалах, предел прочности при статическом изгибе у них повысился. Прочность при сжатии

вдоль волокон возросла после термической модификации у всех испытываемых пород кроме сосны, которая проходила термическую модификацию в бревнах, здесь прочность снизилась на 29%. А наиболее значительное возрастание прочности при сжатии вдоль волокон можно увидеть у граба и дуба.

Прочность образцов при статическом изгибе сосны, которые модифицировались в бревнах существенно снизилась после термической модификации на 50%, предел прочности образцов сосны, которые модифицировались в пиломатериалах снизился на 9%. Ударная вязкость сосны и граба, проходивших модификацию в пиломатериалах также снизилась на 10 и 36% соответственно, а ударная вязкость термически модифицированной древесины дуба возросла на 24 % по сравнению с немодифицированной древесиной.

Наибольшее снижение ударной вязкости замечено у образцов сосны, проходивших термическую модификацию в бревнах, показатель снизился на 50% по сравнению с немодифицированной древесиной.

Таблица 1 - Результаты испытания физико-механических свойств термически модифицированной (ТМ) древесины в сравнении с немодифицированной древесиной (НМ)

Порода древесины Тип обработки Температура обработки Средняя влажность в момент испытания Базисная плотность Усушка Разбухание Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон Предел прочности при статическом изгибе Ударная вязкость древесины Влагопоглощение Водопоглощение

[°С] [%] [кг/м3] [%] [%] [МПа] п [МПа] [Дж/см2] [%] [%]

Ель ТМ 165 5,8 397 8,1 9 56,4 74,4 - 11,1 197,8

НМ . 7,4 331 9,3 11,1 44,4 63,8 - 14,9 245,7

Сосна ТМ 165 4,5 426 8,8 11,5 59,1 80 4 13,4 164,5

НМ - 11,8 423 10 15,8 49 87,6 4,5 16.9 164,1

Береза ТМ 185 2,8 535 10,7 11,1 78,5 73,1 - 8.1 117,8

НМ . ■ 7,4 523 15,3 20,5 68,7 130,7 - 15,4 124,5

Дуб ТМ 175 4,1 595 10,1 17,7 73,4 105,1 7,1 8,9 98,1

НМ . 13 523 10,2 20,1 48,9 80 5,7 16,8 113,2

Граб ТМ 175 3,7 683 14,8 17,3 95,5 155,2 5,1 10 79,5

НМ - 13,6 617 18,2 25,4 48 121,6 8,1 18,6 88,4

Свойства термически модифицированной древесины оказались различны по сравнению с немодифицированной. По таким показателям как, усушка, разбухание, влаго- и водопоглощение термически модифицированная древесина превзошла немодифицированную. По исследованию прочностных характеристик данные различны в зависимости от породы древесины.

При термическом модифицировании бревен, качество образцов древесины оказалось ниже по сравнению с образцами, полученными при модифицировании пиломатериалов. Результаты исследований позволяют рассматривать использование термически модифицированных бревен, а также бруса для создания малых архитектурных форм, садовой и парковой мебели. Однако следует

учитывать снижение некоторых прочностных характеристик при проектировании изделий, подвергающихся повышенным нагрузкам.

Четвертая глава посвящена рассмотрению оценки качества пиломатериалов по суммарной длине бездефектных участков и основной заготовке. Это связано с тем, что оценку качества пиломатериалов все чаще выполняют с использованием сканирующих устройств. Сканирование длины бездефектных участков не вызывает технических трудностей.

В Щелковском учебно-опытном лесхозе были проведены натурные работы по раскрою бревен (диаметром от 18 до 26 см и длиной 6 м, в количестве 31 м3) на пиломатериалы, получены паспорта и фотографии каждой доски. Способ раскроя был принят поперечный. По фотографиям и паспортам в программе AutoCAD имитировался раскрой пиломатериалов на заготовки.

Выполнено 576 вариантов раскроя пиломатериалов на заготовки.

Раскраивались пиломатериалы трех групп качества с суммарной длиной бездефектных участков на доске:

5501-6000 мм - первая группа качества;

5001-5500 мм - вторая группа качества;

4500-5000 мм - третья группа качества.

Длина пиломатериалов 6 м.

Вырабатывались заготовки длиной 3000, 2250, 1500 мм, шириной 100, 125, 150 мм и сопутствующие им короткие, двух групп качества с диаметром сучков < 20 мм и < 50 мм.

По результатам полученных опытных данных, был составлен план эксперимента на базе B-плана. При обработке опытных дынных регрессионные уравнения оказались неадекватными, однако полученные точки были использованы для получения более простых регрессионных уравнений.

Например, для заготовок размером 3000x100 мм, с диаметром сучков <20

мм

у = 0,000359308131072* - 1,612352980715600. (1)

Для заготовок размером 3000x100 мм, с диаметром сучков <50 мм (рисунок 1)

у = 0,000512907822483*- 2,078614613937630, (2)

где х - середина группы качества пиломатериалов, а у - величина выхода заготовки.

Получены также другие уравнения расчета выхода основной и коротких заготовок. Всего было получено 28 уравнений.

Кроме того, были получены данные по средней длине коротких заготовок и предложен метод расчета выхода коротких заготовок, который предполагал выполнение следующих этапов (рисунок 2).

й

^78614613937630

- .......в........

у=-о.оо<тшштг+ mmmsmeso

R-'-и О; i 59079212655180—................

Суммарная длина бездефектного участка на доске, мм

Рисунок 1 - Зависимость коэффициента выхода заготовок размером 3000x100 мм, допустимый диаметр сучков <50 мм, от качества пиломатериалов

1. Построение графика распределения бездефектных участков на пиломатериалах для случая, когда их количество по длинам распределено равномерно.

2. По данным о средней длине бездефектного участка, построение фактического распределения бездефектных участков по длинам.

3. Определение выхода коротких заготовок по размерам длины.

4. Расчет общего выхода заготовок.

чЩ

О 150 300 45V\ 600 750

: 500 825

Jö50 Ь0() ¡350 1500 Im.,

мм

Рисунок 2 - Заготовки размером 1500x100 мм, допустимый диаметр сучков < 20 мм, 3-я группа качества пиломатериалов

На основании проведенных расчетов были получены данные по выходу основных и коротких заготовок для оптимизации планирования раскроя термически модифицированных и немодифицированных пиломатериалов на заготов-

Пятая глава посвящена моделированию и оптимизации планирования раскроя пиломатериалов на термически модифицированные и немодифициро-ванные заготовки.

Эффективность производства термически модифицированных заготовок зависит от спецификации (размеры, качество, объем) пиломатериалов и заготовок, цен на пиломатериалы и заготовки, затрат на выполнение операций в процессе производства заготовок.

Учитывая значительное количество факторов, оказывающих влияние на эффективность производства заготовок и их взаимодействие, целесообразно воспользоваться методами оптимизации для расчетов параметров производства.

Разработана модель оптимизации выработки немодифицированных и термически модифицированных заготовок из пиломатериалов при поперечном их раскрое по критерию суммарной прибыли.

В общем виде, задача формулируется следующим образом.

Имеется т групп пиломатериалов, которые можно раскроить на различные заготовки. При раскрое одного кубометра обрезных досок г-ой группы заготовка ¿-ого вида выходит в объеме Ки, м3 (здесь Кц равно коэффициенту выхода заготовок из обрезных досок). Запасы обрезных пиломатериалов каждой группы составляют V,-. Заказы на производство заготовок каждого вида <2* (к =1,..., л). Цена одного кубометра заготовок каждого вида С*. Величина -учитывает затраты связанные с закупкой пиломатериалов, их модифицированием, а также затраты на производство заготовок к-ого вида на участке раскроя. Определить Хи- объемы пиломатериалов г-ой группы, из которых следует произвести заготовки ¿-ого вида, чтобы суммарная прибыль от реализации заготовок максимизировалась, тогда целевая функция имеет вид:

т $

(3)

¡=1 к=1

В модели учитываются следующие ограничения:

1) по объемам выработки основных заготовок (термически модифицированных и немодифицированных)

£ где (4)

/=1

2) по ресурсам пиломатериалов

т

2Х'5^.;где/=1.....т- (5)

ы

3) на неотрицательность решения

Хи £0; где ¿=1,..., я; 1=1,..., т. (6)

Для формирования моделей в явном виде, необходимо иметь спецификации пиломатериалов и заготовок, численные значения коэффициентов объемного выхода заготовок, планируемых к выработке из пиломатериалов, затраты связанные с закупкой пиломатериалов, их модифицированием, а также затраты на производство заготовок на участке раскроя.

Для этого использовались вышеприведенные уравнения (1) и (2) и другие.

Рассмотрен пример формирования модели оптимизации при заданных объемах термически модифицированных и немодифицированных заготовок и запасах пиломатериалов трех групп качества V/.

Пусть объемы основных заготовок из термически модифицированной древесины составляют:

б/ = 5 м3 (длина 3000 мм, диаметр сучков 20 мм и менее);

= 4 м3 (длина 3000 мм, диаметр сучков 50 мм и менее); £2зг 9 м3 (длина 1500 мм, диаметр сучков 20 мм и менее); (}4= 21 м3 (длина 1500 мм, диаметр сучков 50 мм и менее), а немодифицированной древесины б* = 13 м3 (длина 3000 мм, диаметр сучков 50 мм и менее).

Запасы пиломатериалов различных качественных групп: К/ = 40 м3 (пиломатериалы с суммарной длиной бездефектных участков 4500-5000 мм); К? = 41 м3 (пиломатериалы с суммарной длиной бездефектных участков 5001-5500 мм); У3 = 43 м3 (пиломатериалы с суммарной длиной бездефектных участков 5501-6000 мм).

Для определения коэффициентов выхода заготовок используются методики, предложенные в главе 4.

Для решения задачи оптимизации нам также необходимы сведения о ценах на заготовки. Эти цены в значительной степени зависят от конкретных условий производства и спроса на заготовки. В работе при расчете были приняты ориентировочные цены на заготовки по состоянию на 2012 год. Расчет коэффициентов целевой функции.

Для расчета прибыли на 1 м3 пиломатериалов Щ необходимо вычесть из ценностного выхода затраты, связанные с закупкой пиломатериалов - 3,к, их модифицированием - М1к, а также затраты на производство заготовок на участке раскроя - Р1к.

П^Ци-(3,к + Мл + Рл). (7)

Ценностный выход заготовок ¿-ого вида Цц, из 1 м3 пиломатериалов /-ой группы определяется по формуле

Цы ~ С к' Ки, (8)

где С, - цена одного кубометра заготовок каждого вида;

Кы~ коэффициент выхода заготовок из пиломатериалов. Решение полученной модели может быть осуществлено с помощью любой программы симплекс-метода линейного программирования, в данном случае использовалась программа «Раскрой».

В результате введения исходных данных модели в программу «Раскрой» получено следующее:

Целевая функция: г=-4313-д:/+4491^+13352^г3326-л:(,+120-д:5+3548-л:й-932-Х7+2604а8+ +6140'х9-1016-х;с>+112-д:л+1240-х^+587-хп+1810-х^+3024-х;з -> тах Ограничения:

Огр.1: 0,091х/+0,263x^+0,436хз = 5; Огр.2: 0,342*4+0,59*5+0,836*5 = 4;

Огр.З: 0,306^7+0,468ха+0,63х? = 9; Огр.4: 0,606х/0+0,758х;;+0,91х;2 = 21; Огр.5: 0,343х13+0,59х/4+(),836x15 = 13; Огр.6: Х1+Х4+ХГТХ10+Х13+Х16 = 40; Огр.7: х2+х5+х8+хп+х14+хп = 41; Огр.8: х}+х6+х9+х!2+х15+х !8 = 43. Результаты расчета:

Значение целевой функции, отражающей максимальную суммарную прибыль - 314 570,81 руб.; оптимальные значения переменных, соответствующих объемам пиломатериалов для выработки заготовок того или иного вида равны: х3= 11,47; хб = 4,78; хР= 14,28; х„ = 12,74; х„ = 22,03; Х16 ~ 40; хп = 6,22; Х12 - 12,46.

Проводилось исследование влияния на прибыль и на оптимальные решения доли термически модифицированных заготовок в общем объеме заготовок.

Пусть доля термически модифицированных заготовок составляет а от общего объема. Примем коэффициенты а равные 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1 (таблица 2). В программу «Раскрой» вводим матрицу данных, в которой сведена информация об объемах каждого вида заготовок, получаемых из каждой группы пиломатериалов, ценах заготовок каждого вида, затратах на производство заготовок. Результаты расчета представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Спецификация заготовок для составления оптимизации плана раскроя

Вид заготовок Размеры за- Допустимый Доля термически модифицированных

готовок, мм диаметр заготовок а

сучков, мм в общем объеме заготовок

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00

Объемы заготовок, м3

Термически модифи- 3000x100 <20 0 3 5 5 5

цированные 3000x100 <50 0 2 4 4 4

1500x100 <20 0 4 9 9 9

1500x100 <50 0 4 8 21 34

Немодифицированные 3000x100 <50 52 39 26 13 0

Итого: 52 52 52 52 52

Из анализа данных таблицы 3 следует, что пиломатериалы с суммарной длиной бездефектных участков на доске 5501-6000 мм по всем вариантам были востребованы для выработки заготовок.

Таблица 3 - Оптимальные планы раскроя пиломатериалов на заготовки

Группа качества пиломатериалов Переменные Доля термически модифицированных заготовок а в общем объеме заготовок

0,00 | 0,25 | 0,50 | 0,75 | 1,00

Объемы пиломатериалов для раскроя, MJ

4500-5000 мм XI 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

х4 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

XI 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Хю 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

X}} 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

о,оо: •"0,00- 0,00 . 0,00 0,00

5001-5500 мм Х2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

x¡ 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

xs 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Хц 0,00 0,00 0,00 12,74 29,89

Хц 27,21 33,54 38,87 22,03 0,00

' £ , ' ,27,21 , . 33,54 "38,87 34,78 29,89

5501-6000 мм Хз 0,00 6,88 11,47 11,47 11,47

Хб 0,00 2,39 4,78 4,78 4,78

Х9 0,00 6,35 14,29 14,29 14,29

XI2 0,00 4,40 8,79 12,46 12,46

ХЦ 43,00 22,98 3,67 0,00 0,00

. \.£ • : ■ 43,00 , '43,00 -' ■43,00'. 43,00 43,00 ,

Дополнительные переменные Хк 40,00 40,00 40,00 40,00 40,00

Хм 13,79 7,46 2,13 6,22 11,11

Х18 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Объем пиломатериалов использованный для выработки основных заготовок, м3 70,21 76,54 81,87 77,78 72,89

Суммарная прибыль по основным заготовкам, полученная при решении оптимизационной математической модели, руб. 179276 274994 350159 314570 276610

Суммарная прибыль по коротким заготовкам, рассчитанная на объем пиломатериалов, определяемых спецификацией, руб. 28758 67208 96089 87620 77448

Суммарная прибыль, по основным и коротким заготовкам, рассчитанная на объем пиломатериалов, определяемых спецификацией, руб. 208034 342202 446248 402190 354058

Ожидаемая прибыль, при переработке 1 м'' пиломатериалов на основные заготовки, руб. 2554 3593 4277 4044 3795

Ожидаемая прибыль, при переработке 1 тл* пиломатериалов на короткие заготовки, руб. 410 878 1174 1127 1062

Ожидаемая прибыль, при переработке 1 м пиломатериалов на основные и короткие заготовки, руб 2963 4471 5451 5171 4857

Пиломатериалы с суммарной длиной бездефектных участков на доске 5001-5500 востребованы почти полностью. Группа пиломатериалов с суммарной длиной бездефектных участков на доске 4500-5000 мм не востребована для выработки заготовок, т.к. ее использование ведет к убытку. Для немодифици-рованных заготовок из этой группы пиломатериалов выработка оказалась прибыльной.

При принятых в расчете ценах на пиломатериалы и заготовки, затратах на модифицирование и себестоимости операций на участке раскроя пиломатериалы с суммарной длиной бездефектных участков на доске 4500-5000 мм экономически не выгодны для производства термически модифицированных заготовок.

На рисунке 3 приведена технологическая схема производства заготовок из термически модифицированной древесины. В соответствии с этой схемой круглые лесоматериалы в лесопильном цехе распиливаются на пиломатериалы. При этом оценка качества пиломатериалов может производиться с использованием сканирующих устройств. При выполнении операции сортирования показателем качества является выход основной заготовки. В данном примере для термического модифицирования можно использовать пиломатериалы двух групп качества. Первая группа пиломатериалов, из которой получается три и более заготовок длиной 1500 мм с допустимым диаметром сучком 20 мм и менее. Эта группа пиломатериалов эквивалентна группе пиломатериалов с суммарной длиной бездефектных участков 5501-6000 мм. Вторая группа пиломатериалов, из которой получается две основных заготовки длиной 1500 мм и с допустимым диаметром сучком 20 мм и менее. Эта группа пиломатериалов эквивалентна группе пиломатериалов с суммарной длиной бездефектных участков 5001-5500 мм.

Пиломатериалы третьей группы качества с суммарной длиной бездефектных участков 4500-5000 мм использовать для выработки заготовок по рассматриваемой спецификации нецелесообразно.

Затем производится сортировка пиломатериалов и определяется, какие пиломатериалы следует направить на термическую модификацию, а какие на обычную сушку. Далее пиломатериалы проходят операции сушки и термической модификации. Необходимо проведение анализа свойств и контроль качества полученных материалов. Реализуем план, используя поперечный способ раскроя. После раскроя пиломатериалов на заготовки производится сортировка заготовок по размерам длины и качеству.

В результате решения математической модели получены прибыль по основным заготовкам, рисунок 4 кривая 1, при изменении доли термически модифицированных заготовок от 0 до 100 %. С увеличением доли термически модифицированных пиломатериалов прибыль возрастает.

Задачи, решаемые при совместном производстве термически модифицированных и немодифицированных заготовок

. ^ Анализ свойств термически 1 I Реализация

При выполнении | I модифицированных и немодифицирован- » \ оптимального

операции сорти- | , ных пиломатериалов ; ! плана раскроя

рования показа- | ', _ _____ _ _ 4-------,------

тель качества - \ ,

выход основной \ ; Определение выхода основных заготовок , > Сортировка

заготовки / --------« заготовок по

| Определите выхода коротких заготовок > р размерам дли-

1 (разработан новый метод расчета) ■ > ны и качеству

Составление оптимального плана раскроя пиломатериалов

■ Технология производства заготовок из >

> термически модифициров;шной древе- «

> сины и её экономическая >

> эффективность !

Рисунок 3 - Технологическая схема производства заготовок из термически модифицированной и немодифицированной древесины

500 ООО 450 000 400 ООО 350 ООО 300 ООО 250 ООО 200 ООО 150 ООО 100 ООО 50 000 О

446,248

-342-262

50 159

994

7

.8J33-4-

«Г 179 276

402 190

54 058

-------21Шв

67 208

96 089

87 620

1?8 758

-77 448

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00

а - доля термически модифицированных заготовок в общем объеме

"1) Суммарная прибыль по основным заготовкам, полученная при решении оптимизационной математической модели

- *&• - 2) Суммарная прибыль по коротким заготовкам, рассчитанная на объем пиломатериалов, определяемых спецификацией

-А-— 3) Суммарная прибыль по основным и коротким заготовкам, рассчитанная на объем пиломатериалов, определяемых спецификацией

Рисунок 4 - Зависимости суммарной прибыли (при производстве 52 м заготовок) от доли термически модифицированных заготовок, в общем объеме заготовок

6000

5000

1000

I

о

0. а •

5 451 ...................mu 5 171 4 857

4 471 ,.-:<-' . ..... r'.í-.f^V

¿Г* J- ^ 3 593 4 277 4 044 *** Ф 3 795

' 2 554

—Я

1 174 1 127 1 062

lHO...............................

00

0.25

0.50

0.75

1.00

■—■«» *1) Ожидаемая прибыль, при переработке 1 мЗ пиломатериалов на основные заготовки

••"В"» 2) Ожидаемая прибыль, при переработке 1 мЗ пиломатериалов на короткие заготовки

3) Ожидаемая прибыль, при переработке 1 мЗ пиломатериалов на основные и короткие заготовки

доля термически модифицированных заготовок в общем объеме заготовок

Рисунок 5 - Зависимости прибыли от доли термически модифицированных заготовок в общем объеме заготовок в пересчете на 1 м3 пиломатериалов

Наиболее существенное увеличение суммарной прибыли наблюдается при увеличении доли термически модифицированных заготовок от 0 до 50 %. При доле термически модифицированных пиломатериалов более 50 % суммарная прибыль начинает уменьшаться. Наиболее полное представление дают значения прибыли из 1 мЗ пиломатериалов (рисунок 5).

Значение ожидаемой прибыли, при переработке 1 м3 пиломатериалов на основные и короткие заготовки, приведено на рисунке 5, кривая 3. Из графиков следует, что тенденция изменения прибыли сохраняется.

Из представленных материалов следует, что не все пиломатериалы экономически выгодно подвергать термической модификации. По рассматриваемым в примере спецификациям пиломатериалов и заготовок, действующим ценам на заготовки в этот период, затратам на термическое модифицирование, 50 % объема пиломатериалов рекомендуется направлять на термическое модифицирование.

Основные результаты работы

1. Свойства термически модифицированной древесины превосходят немо-дифицированную, по таким показателям как усушка, разбухание, влаго- и водопоглощение.

2. Прочность при сжатии вдоль волокон у образцов ели, сосны, березы, дуба и граба увеличилась после термической модификации.

Прочность при статическом изгибе из термически модифицированных пиломатериалов ели, дуба и граба увеличилась по сравнению с немодифици-рованной древесины, а у образцов сосны и березы уменьшилась. Прочность термически модифицированной древесины при статическом изгибе изменилась в зависимости от интенсивности выхода на максимальную температуру, при повышении интенсивности прочность уменьшилась (прочность образцов, высушенных при мягких режимах сушки выше, чем прочность образцов высушенных при форсированных режимах сушки). Прочность термически модифицированной древесины при статическом изгибе изменилась в зависимости от места расположения древесины в бревне (зоны ствола).

Прочность древесины уменьшилась по направлению от комля к вершине, так, образцы, выпиленные из комлевой части бревна имели большую прочность, чем образцы, выпиленные из вершинной части бревна. Прочность термически модифицированной древесины, при различных классах термообработки изменялась в зависимости от удаленности от центра бревна. Прочность возрастала по направлению от центральной зоны бревна к периферической.

3. Наиболее распространенным пороком после термической модификации обрезных березовых пиломатериалов оказалась крыловатость - 91% из общего числа досок, значение от 5 до 10 мм; затем покоробленность продольная по кромке - 67%, значение от 3 до 6 мм; покоробленность продольная по пла-

сти - 56%, значение от 3 до 6 мм и поперечная покоробленность только 3%, значение от 1 до 1,5 мм.

4. При термическом модифицировании бревен, качество образцов древесины оказалось ниже по сравнению с образцами, полученными при модифицировании пиломатериалов.

5. Результаты исследований позволяют рассматривать использование термически модифицированных бревен, а также бруса для создания малых архитектурных форм, садовой и парковой мебели. Однако следует учитывать, при проектировании изделий, подвергающихся повышенным нагрузкам, снижение некоторых прочностных характеристик.

6. Критерием оценки качества пиломатериалов может служить величина выхода основной заготовки, При этом суммарная длина бездефектных участков используется для определения объемного выхода заготовок и оптимизации плана раскроя, а величина объемного выхода основной заготовки используется в производственных условиях.

7. Получены уравнения для расчета объемного выхода основных и коротких заготовок. Всего было получено 28 уравнений.

8. При поперечном раскрое с увеличением длины основной заготовки в интервале от 1500 мм до 3000 мм её объемный выход уменьшается, а общий объемный выход увеличивается.

9. Разработанная оптимизационная модель выработки заготовок позволяет оптимально распределять имеющиеся запасы пиломатериалов для производства термически модифицированных и немодифицированных заготовок различных размеров. В качестве критерия оптимальности при раскрое пиломатериалов принята суммарная прибыль.

10. Прибыль при производстве основных и коротких заготовок по различным спецификациям, в зависимости от доли термически модифицированных пиломатериалов имеет экстремум и по расчетам может достигать до 5451 руб. при переработке 1 м3 пиломатериалов.

11. Полученные данные могут быть использованы для оптимизации производства заготовок:

- на участке сортировки сырых пиломатериалов;

- в раскройном цехе при определении оптимального соотношения объемов основных заготовок и коротких;

- при проектировании цехов по раскрою пиломатериалов на заготовки.

Список опубликованных автором работ

В ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации

1. Владимирова Е.Г. Изучение коробления термически модифицированной древесины после сушки / Е.Г. Владимирова И Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник, № 6 (55). - М.:, 2007, С. 133-137.

2. Владимирова Е.Г. Влияние термической модификации на некоторые физико-механические свойства древесины сосны (Pinns sylvestris) / Владимирова Е.Г. // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник, №5 (81). -М.:, 2011, С. 97-102.

3. Владимирова Е.Г. Исследование предела прочности при изгибе термически модифицированной древесины сосны (Pinus sylvestris), / Е.Г. Владимирова // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник № 5 (81).-М.:, 2011, С.102-105.

Публикации в других изданиях:

4. Владимирова Е.Г. Современные методы сортировки бревен при производстве пиломатериалов / Е.Г. Владимирова // ДЕРЕВ0.1Ш, №5 (56), 2009, С. 56-58.

5. Владимирова Е.Г. Современная технология обработки древесины - термическая модификация // Культура дерева - дерево в культуре. Тезисы международной научно-практической конференции. 24 - 28 сентября 2010 года. С. 149-152.

6. Владимирова Е.Г. Технология термической модификации пиломатериалов / Е.Г. Владимирова // Технология и оборудование для переработки древесины. Науч. тр. - Вып. 349. - М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2010. - С. 69-74.

7. Владимирова Е.Г. Некоторые физико-механические свойства термомоди-фицированной древесины березы и ели / Е.Г. Владимирова // Деревообрабатывающая промышленность 2/2011, С. 30-32.

8. Владимирова Е.Г. Методика эксперимента по поперечному раскрою березовых пиломатериалов на заготовки из термически модифицированной древесины / Е.Г. Владимирова // Технология и оборудование для переработки древесины. Науч. тр. - Вып. 353. - М. : ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2011. - С. 4349.

9. Владимирова Е.Г. Сортирование пиломатериалов / С. Н. Рыкунин, В. Е. Пятков, Е. Г. Владимирова // 1-е изд. - М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2012. - 28 с.

10. Vladimirova E.G. The culture of wood utilization and modern woodworking technologies / Stanislaw N. Rikunin, Elena G. Vladimirova // Forests as a renewable source of vital values for changing world. 2009 IAWS plenary meeting and conference. 15-21 June, Saint-Petersburg - Moscow, Russia - P. 92.

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета

Подписано в печать 10.02 2012. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 т/и2 Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 57.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@mgnl.ac.ru

61 12-5/1711

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования "МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА"

На правах рукописи

ВЛАДИМИРОВА Елена Григорьевна

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ИЗ ТЕРМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Рыкунин С.Н.

Москва 2012 г.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИССЛЕДОВАНИЯМ СВОЙСТВ ТЕРМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ВЫРАБОТКИ ЗАГОТОВОК...................................................13

1.1. История развития термической модификации древесины.................13

1.2. Обзор исследований по изучению свойств термически.............21

модифицированной древесины........................................................................21

1.3. Обзор исследований по технологии выработки заготовок.................31

1.3.1. Способы раскроя пиломатериалов на заготовки.............................31

1.3.2. Методы расчета выхода заготовок....................................................34

1.4. Оценка качества пиломатериалов, предназначенных для..................37

поперечного раскроя.........................................................................................37

1.5. Задачи работы..........................................................................................56

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМИЧЕСКИ

МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ.........................................................57

2.1. Цель экспериментальных исследований...............................................57

2.2. Программа исследований.......................................................................57

2.3. Методика отбора образцов.....................................................................57

2.4. Определение влажности.........................................................................68

2.5. Определение разбухания........................................................................69

2.6. Определение усушки...............................................................................69

2.7. Определение влаго- и водопоглощения................................................70

2.8. Определение базисной плотности.........................................................71

2.9. Определение покоробленности..............................................................71

2.10. Определение предела прочности при изгибе.......................................72

2.11. Определение предела прочности древесины при сжатии...................73

ВДОЛЬ ВОЛОКОН.....................................................................................................

2.12. Определение ударной вязкости.............................................................74

2.13. Определение статической твердости..................... ...............................74

2.14. Выводы по второй главе.........................................................................75

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ.............................76

3.1. Влажность................................................................................................76

3.2. Разбухание................................................................................................77

3.3. Усушка......................................................................................................78

3.4. Влаго-и водопоглощение.......................................................................80

3.5. Базисная плотность.................................................................................84

3.6. Покороб л енность.....................................................................................85

3.7. Предел прочности при изгибе................................................................90

3.8. Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон..................95

3.9. Ударная вязкость.....................................................................................97

3.10. Статическая твердость............................................................................98

3.11. Выводы по третьей главе......................................................................101

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КАЧЕСТВА ПИЛОМАТЕРИАЛОВ НА ВЫХОД ЗАГОТОВОК ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ СПОСОБЕ РАСКРОЯ.........................................................................................ЮЗ

4.1. Методика и постановка эксперимента по поперечному раскрою пиломатериалов на заготовки..............................................................103

4.2. Результаты эксперимента по раскрою пиломатериалов..............114

на заготовки.....................................................................................................114

4.3. Определение коэффициентов выхода заготовок из пиломатериалов различных групп качества...................................................................120

4.4. Выводы по четвертой главе..................................................................127

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ

ПЛАНИРОВАНИЯ РАСКРОЯ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ НА ЗАГОТОВКИ.. 128

5.1. Разработка модели оптимизации...................... ...................................128

5.2. Формирование исходных данных и решение модели оптимизации 129

5.3. Исследование оптимальных решений.................................................135

5.4. Технология производства заготовок из термически модифицированной древесины и ее экономическая эффективность.................................138

5.5. Выводы по пятой главе.........................................................................142

Заключение. Общие выводы и основные результаты исследований............143

Список использованных источников................................................................146

Приложение 1.....................................................................................................158

Приложение 2.....................................................................................................161

Приложение 3.....................................................................................................162

Приложение 4.....................................................................................................167

Приложение 5.....................................................................................................173

Приложение 6.....................................................................................................175

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время все большее число потребителей в разных странах мира отдают предпочтение изделиям из древесины, предпочитая ее бетону, металлу и пластмассам. Древесина является экологически чистым, возобновляемым материалом и легким в применении. Однако, срок службы древесины, по сравнению со многими современными материалами, не так долог. Помимо этого, основным недостатком натуральной древесины являются сниженные физико-механические и эксплуатационные характеристики. Это ограничивает возможные сферы ее применения, а также приводит к необходимости постоянного ухода за изделиями из древесины.

В настоящее время одной из задач деревообрабатывающей промышленности является развитие различных способов обработки древесины для улучшения качества, продления срока службы, расширения области применения и увеличения стоимости изделий из нее.

Одним из таких видов обработки, позволяющих повысить ценность природных ресурсов России, является термическая модификация древесины.

Термически модифицированная древесина (ТМД) является альтернативой многообразию тропических пород древесины. Для ее изготовления используются заготовки с отечественных возобновляемых площадей лесосеки.

Изделия из термически модифицированной древесины используются без ограничений в любых климатических условиях. Они не нуждаются в антисеп-тировании, пропитке, тонировании, крашении. Термическая модификация позволяет выделить всю красоту натурального дерева и делает его еще более привлекательным.

Потенциал у термически модифицированной древесины довольно большой, но одной из причин её ограниченного распространения на территории Российской Федерации является недостаток знаний и доступной информации по данному вопросу.

Работа выполнена на кафедре «Технологии лесопиления и деревообработки» МГУЛ и в Лаппеенрантском технологическом университете (Финляндия) под руководством доктора технических наук, профессора Станислава Николаевича Рыкунина.

Актуальность исследования. В связи с повышенным спросом на применение массивной древесины в самых разнообразных сферах деятельности и заинтересованности потребителя в использовании натуральных, экологически чистых материалов, возник интерес к термической модификации древесины. Поэтому, актуально изучение ее свойств, в сравнении с немодифицированной древесиной. С учетом повышенных затрат на изготовление, необходимо совершенствование технологий производства заготовок из термически модифицированной древесины, учитывающих характеристики качества пиломатериалов.

Цель и задачи исследования. Разработка эффективной ресурсосберегающей технологии выработки заготовок, на основе исследований свойств термически модифицированной древесины, теории раскроя и математических методов оптимизации.

В соответствии с поставленной целью работы решались следующие задачи.

1. Проведение исследований свойств термически модифицированной древесины в сравнении с немодифицированной.

2. Разработка метода оценки качества пиломатериалов, предназначенных для раскроя.

3. Разработка модели оптимизации выработки термически модифицированных и ^модифицированных заготовок из пиломатериалов при поперечном их раскрое по критерию прибыли.

4. Внесение изменений в технологию производства термически модифицированных заготовок по результатам выполненных исследований и решений модели оптимизации.

Методы исследования. Образцы для исследования заготавливались на предприятиях лесопильно-деревоперерабатывающей промышленности.

Экспериментальные данные получены в лабораторных условиях, обработка результатов осуществлялась методами математической статистики.

Раскрой бревен на пиломатериалы проводился в производственных условиях, при этом проводилось фотографирование и паспортизация досок.

Имитация раскроя пиломатериалов на заготовки осуществлялась с помощью компьютерной программы «AutoCAD», в которую вводились цифровые фотографии досок.

Реализация разработанной математической модели выработки термически модифицированных и ^модифицированных заготовок из пиломатериалов осуществлялась с помощью компьютерной программы «Раскрой».

Научные положения, выносимые на защиту. Результаты исследований физико-механических свойств термически модифицированной древесины различных пород в сравнении с немодифицированной древесиной.

Метод оценки качества пиломатериалов по суммарной длине бездефектных участков и величине выхода основной заготовки.

Метод расчета выхода коротких заготовок из бездефектных участков пиломатериалов.

Оптимизационная математическая модель раскроя пиломатериалов на термически модифицированные и ^модифицированные заготовки по критерию суммарной прибыли.

Научная новизна результатов работы. Получены дополнительные данные по физико-механическим свойствам термически модифицированной древесины различных пород в сравнении с немодифицированной древесиной.

Выявлено, что качество образцов после термического модифицирования бревен оказалось ниже, по сравнению с качеством образов, полученных после модифицирования пиломатериалов.

Предложена оценка качества пиломатериалов по суммарной длине бездефектных участков и величине выхода основной заготовки.

Разработан метод расчета выхода коротких заготовок из бездефектных участков с использованием методов математической статистики.

Разработана и получена в явном виде оптимизационная математическая модель выработки термически модифицированных и ^модифицированных заготовок из пиломатериалов при их поперечном раскрое по критерию прибыли.

Достоверность и обоснованность научных результатов. В работе использовалось современное лабораторное оборудование, в том числе лаборатории Лаппеенрантского технологического университета (г. Лаппеенранта, Финляндия) и Исследовательского березового центра (Копш Кеэкш, п. Руоколахти Финляндия), лаборатории Московского государственного университета леса, установки для проведения термической модификации торговой марки «Вакуум Плюс». Объем экспериментальных работ и их математическая обработка обеспечивает достоверность результатов. Использование цифровых фотографий при раскрое пиломатериалов на заготовки повысило достоверность данных, вводимых в компьютерную программу.

Личный вклад диссертанта в решение поставленных задач. Все теоретические и лабораторные исследования в работе выполнены автором самостоятельно. Автор лично спланировала, организовала и провела на базе Лаппеенрантского технологического университета, Исследовательского березового центра (Финляндия) и МГУЛ всю экспериментальную часть работы. Самостоятельно были проделаны работы по определению физико-механических свойств термически модифицированной древесины в сравнении с ^модифицированной, а также работы по нахождению регрессионных уравнений объемного выхода основной заготовки и бездефектных участков. Автором лично выполнена разработка метода расчета выхода коротких заготовок из бездефектных участков, а также разработка оптимизационной математической модели раскроя пиломатериалов на термически модифицированные и немодифицированные заго-

товки из пиломатериалов при их поперечном раскрое по критерию суммарной прибыли.

Практическая значимость работы. Разработана технология производства заготовок из термически модифицированной древесины, которая может быть использована на действующих и создаваемых лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях. Потребителям термической модифицированной древесины при анализе качества предлагаемого на рынке материала рекомендуется использовать данные, полученные в диссертационной работе.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)» и п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».

Реализация результатов работы. Результаты исследования физико-механических свойств используются компанией - производителем установок для сушки и термической модификации древесины (торговая марки «Вакуумп-люс»), на ООО «Галицкий завод», компанией «Литинтермодом» для совершенствования технологических процессов сушки и термической модификации древесины.

Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре технологии лесопиления и деревообработки Московского государственного

университета леса.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались:

- на пленарном заседании и конференции международной академии наук о древесине IAWS-2009, «Лес как возобновляемый источник жизненных ценностей в изменяющемся мире» (г. Москва, 2009 г.);

- на третьем российско-финляндском лесном саммите (г. Санкт-Петербург, 2009 г.);

- на международной научно-практической конференции «Культура дерева - дерево в культуре» (г. Ростов-Великий, 2010 г.);

- на ежегодных научно-технических конференциях МГУЛ (2010 г., 2011 г.);

- на конференции «Тенденции в мебельной промышленности на основе экологически чистых материалов» (г. Красноярск, 2011 г.);

- на четвертой международной конференции «Инновации в лесной промышленности и инженерном дизайне» INNO 2011 IUFRO (г. София, Болгария).

Результаты исследований использованы при написании научно-исследовательских отчетов:

- «Исследование влияния свойств древесины березы на параметры пило-продукции: отчет о НИР (заключ.)»: № 1.35.07 / Московский государственный университет леса (МГУЛ); рук. С.Н. Рыкунин; исполн. Е.Г. Владимирова [и др.] - М., 2010. - 94 е.;

- «Разработка примерных образовательных программ профессионального цикла для магистров по направлению «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» с использованием результатов исследований научных школ: отчет о НИР (заключ.)»: № 3.1.1/9339 / Московский государственный университет леса (МГУЛ); рук. В.Г. Санаев; исполн. Е.Г. Владимирова [и др.] - М., 2011. - 132 с.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 научных трудов, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Общий объем: 178 страниц, в том числе рисунков 56, таблиц 32. Список использованных источников составляет 101 наименование, в том числе 40 зарубежных источников.

В первой главе рассматривается литература по исследованиям свойств термически модифицированной древесины, где приводится история развития термической модификации древесины и данные по изучению свойств этого материала. Также приведены исследования, касающиеся вопросов раскроя пиломатериалов на заготовки и технологии их производства. Анализ этих работ позволил определить задачи исследований диссертационной работы.

Во второй главе описывается проведение экспериментальных исследований по определению физико-механических свойств термически модифицированной древесины в сравнении с немодифицированной.

Данные по экспериментальным исследованиям физико-механических свойств термически модифицированной древесины приведены в третьей главе. Даны результаты определения следу