автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Ультразвуковой способ отбора колотых сортиментов с резонансными свойствами

На правах рукописи

ТЕМНОВА Екатерина Борисовна

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОТБОРА КОЛОТЫХ СОРТИМЕНТОВ С РЕЗОНАНСНЫМИ СВОЙСТВАМИ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 дпр гт

Москва 2013

005051774

005051774

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный технический университет

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Мазуркин Петр Матвеевич

Официальные оппоненты:

Рыкунин Станислав Николаевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса», заведующий кафедрой технологии деревоперерабаты-вающих производств

Сафин Руслан Рушанович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», заведующий кафедрой архитектуры и дизайна изделий из древесины

Ведущая организация:

ООО «Компания АМТ», г. Казань

Защита состоится 19 апреля 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, Московская обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса».

Автореферат разослан 19 марта 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета: доктор технических наук, /~Ь

профессор / Рыбин Борис Матвеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время для изготовления музыкальных инструментов и производства акустических панелей применяют высококачественную еловую и березовую древесину.

Исследования, основанные на способах неразрушающей диагностики древесины, требуют длительной и трудоемкой обработки данных и применяются преимущественно в лабораторных условиях и не могут осуществляться в процессе расколки дров. Поэтому разработка новых способов отбора резонансной древесины непосредственно в процессах первичной обработки древесины, в частности в процессах расколки кряжей, является актуальной.

Из колотых сортиментов резонансная древесина не отбирается из-за того, что контроль акустических свойств проводится только на стандартных образцах 300 х 20 х 20 мм. Их изготовление - сложный и трудоемкий процесс, при этом много ценной древесины теряется в опилки и стружку. Современные конструкции ультразвуковых приборов дают возможность использовать колотые сортименты вместо стандартных образцов. Для измерений акустических показателей древесины они не требуют предварительной обработки. Однако для измерений нужны новые датчики с предложенными нами конусными насадками.

Одновременно требуется частичное совершенствование технологических процессов раскола кряжей с последующим отбором древесины с резонансными свойствами, что можно реализовать на участках расколки дров, а также на деревообрабатывающих предприятиях.

Цель диссертационной работы — совершенствование способа ультразвукового отбора колотых сортиментов с резонансными свойствами на основе выявления закономерностей изменения акустических показателей.

Задачи исследования, которые были поставлены для достижения этой цели:

1) на основе обзора научно-технической и патентной литературы создать методику измерений колотых сортиментов для отбора резонансной древесины;

2) разработать расчетные формулы акустических показателей у колотых сортиментов с учетом анизотропии, азимута и высоты на стволе;

3) разработать методику заготовки кряжей ели и березы с их расколкой на 12 секторов по азимуту, измерения геометрических и ультразвуковых параметров после расколки и комнатной сушки колотых сортиментов;

4) выявить моделированием закономерности распределения и динамику ультразвуковых показателей кряжей и колотых сортиментов берёзы и ели;

5) провести проверку методики отбора резонансных колотых сортиментов в производственных условиях лесных предприятий;

6) оценить экономическую эффективность предлагаемой технологии отбора резонансной древесины на колотых сортиментах ели и березы;

7) разработать патентоспособные технические решения и внедрить их в производство и учебный процесс.

Объект исследования. Колотые сортименты ели и березы для отбора резонансной древесины при разной влажности, плотности и анизотропии, а также азимута расположения колотых сортиментов в стволах модельных деревьев.

Предмет исследования. Закономерности изменения физических и акустических показателей древесины от радиуса годичных слоев, азимута и расположения в стволах деревьев колотых сортиментов.

Методика исследования. Исследованы размерные и структурные параметры колотых сортиментов после расколки кряжей и при комнатно-сухом состоянии древесины. Получены математические модели влияния азимута, массы, ширины замера, влажности на скорость прохождения УЗК в продольном, тангенциальном и радиальном направлениях анизотропии. Уточнена связь зависимости параметров УЗК от комлевой и вершинной части колотых сортиментов. Составлены таблицы по исходным данным и результатов расчета.

При проведении экспериментов применялись ультразвуковой метод изучения свойств древесины, а также методы физических и геометрических измерений.

Использовались методы измерений акустических показателей древесины, статистической обработки экспериментальных данных в программных средах Excel, Curve Expert, Table Curve 3D, Photoshop 6.0, Ar-chiCAD.

Измерения проводились в соответствии со следующими стандартами:

- форма и размеры ствола растущего дерева по ГОСТ 17462-84;

- влажность древесины по ГОСТ 16483.7-71;

- плотность древесины по ГОСТ 16483.1-84;

- хранение кряжей и поленьев по ГОСТ 3808.1-80 и ГОСТ 7319-80;

- исследования на стандартном образце по ГОСТ 16483.0-89.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) методика и результаты измерения акустических показателей древесины на колотых сортиментах, выбор конусных насадок к ультразвуковому прибору при испытаниях на эталонных и стандартных образцах;

2) закономерности и математические модели влияния азимута, массы, ширины замера и влажности на время, скорость, акустическую константу и сопротивление ультразвуку в тангенциальном направлении в сравнении

с радиальным и продольным направлениями на колотых сортиментах и кряжах;

3) методика расчета акустических показателей древесины колотых сортиментов в зависимости от породы, местоположения кряжа в стволе дерева, направления снятия показаний ультразвукового прибора, влажности и анизотропии свойств древесины, а также азимута секторов в кряжах;

4) технические решения по применению предложенного способа диагностики резонансной древесины на колотых сортиментах в виде поленьев по патенту № 2334984 на изобретение на участках расколки дров.

Научная новизна. Выявлено, что ультразвуковые показатели в тангенциальном направлении анизотропии древесины изменяются в зависимости от азимута расположения колотых сортиментов в кряже. Установлены закономерности свойств древесины в зависимости от высоты расположения кряжей от корневой шейки ствола и азимута расположения секторов колотых сортиментов в кряжах.

Впервые разработан способ определения акустических свойств древесины на колотых сортиментах (поленьях) в тангенциальном направлении анизотропии (патент на изобретение РФ № 2334984).

Достоверность выводов и результатов исследований. Она обеспечена основными научными положениями, выводами и рекомендациями, изложенными в диссертации. Базируется на экспериментальных исследованиях, проведенных в Республиках Марий Эл и Беларусь. Результаты расчетно-экспериментальных исследований с погрешностью менее 5% на эталонных и стандартных образцах хорошо согласуются с данными известных решений и экспериментов, полученных другими авторами. Достоверность подтверждается также большой выборкой экспериментальных данных и высокой доверительной вероятностью более 90% выявленных устойчивых статистических закономерностей изменения акустических показателей древесины колотых сортиментов.

Практическая значимость. Предложенные методики диагностики резонансных свойств колотых сортиментов применимы на этапах от визуальной оценки деревьев до контроля готовых деталей музыкальных инструментов, включая процесс расколки кряжей.

Значимость запатентованного способа определения резонансных свойств на колотых сортиментах заключается в том, что он позволяет сертифицировать древесину, высушенную после расколки кряжей у поставщиков (а также на нижних лесопромышленных складах лесных предприятий или на предприятиях музыкальных инструментов) без механической обработки. Это позволит сертифицировать и увеличить экс-

порт ценной древесины и повысить выход продукции из дровяных кряжей с допустимыми акустическими показателями.

Предложен и обоснован технологический процесс отбора резонансных колотых сортиментов в виде поленьев на малом лесном предприятии, обеспечивающий наибольшую эффективность использования дров для отбора ценной резонансной древесины в виде колотых сортиментов.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».

Личное участие автора в получении результатов. Автор участвовала в разработке способа испытания колотых сортиментов, защищенный патентом на изобретение РФ № 2334984. Автор самостоятельно провела все производственные и лабораторные эксперименты в Беларуси и Куяр-ском лесничестве Республики Марий Эл. Непосредственно автором диссертации разработаны: методика неразрушающей диагностики колотых сортиментов для отбора резонансной древесины; математическая модель расчета акустических показателей колотых сортиментов древесины; методика и модель сравнения со стандартными образцами древесины; выявлены основные закономерности влияния геометрических параметров насадок на пьезоэлектрических датчиках, а также направления анизотропии, месторасположения в стволе растущего дерева, азимута расположения в кряже на скорость, акустическую константу и акустическое сопротивление древесины ели и березы колотых сортиментов.

Реализация работы. Поисковые и основные эксперименты проводились в Печенском, Брилевском, Борисовском лесничествах ГОЛХУ «Борисовский опытный лесхоз» (Беларусь), Куярском лесничестве (Марий Эл). Отдельные результаты были внедрены в «ОАО Борисовское предприятие музыкальных инструментов» и в реставрации музыкальных инструментов фирмы «Джет Сеттгрупп» (Беларусь). Рекомендации по прогнозированию выхода резонансной древесины при заготовке круглого лесоматериала приняты в Куярском лесничестве. Способ и рекомендации по отбору колотых сортиментов внедрены в учебный процесс Поволжского ГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались, обсуждались и одобрены на заседаниях кафедры природообустройства ПГТУ (г. Йошкар-Ола, 20062012 гг.); X международной конференции молодых ученых «Региональная наука» (г. Москва, 2009 г.); научно-технических конференциях ПГТУ «Наука в условиях современности» (2006-2012 гг.); VI Всерос-

сийской научно-практической конференции молодых ученых (г. Томск, 2010 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 статей, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. По теме диссертации получен патент на изобретение РФ № 2334984 «Способ ультразвукового испытания поленьев резонансной древесины». Общий объем публикаций 8,81 п.л., в том числе 6,75 п.л. у автора диссертации.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 227 назв., из них 27 на иностранном языке. Основной текст составляет 147 стр., а также приложения на 134 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

1. Состояние вопроса и задачи исследования. Проведен обзор существующих способов заготовки древесины колотыми сортиментами и контроля качества кряжей, нормативных документов по сертификации деревьев на корню, методов испытаний физических свойств древесины, измерения акустических показателей и определения свойств древесины ультразвуковыми приборами, а также зарубежные способы сертификации резонансной древесины.

Технологии изготовления кряжей и колотых сортиментов общеизвестны и проводились в основном в конце XIX и до середины XX века. Исследованию свойств акустической древесины, классификации физических методов испытаний древесины, звуковых свойств резонансной древесины ультразвуковым методом посвящены публикации таких ученых как H.H. Андреев, Е.К. Ашкенази, В.А. Баженов, A.M. Боровиков, С.И. Ванин, В.Е. Вихров, В.Н. Волынский, Н. Н. Дулевский, H.A. Дьяконов, A.A. Колесникова, Ф. Кольман, H.A. Комаров, Г.С. Корсаков, И.И. Кузнецов, Т.А. Макарьева, В.Е. Москалева, В.Д. Никишов, JI.M. Перелыгин, И.И. Пищик, О.И. Полубояринов, A.B. Римский-Корсаков, Ю.С. Соболев, Б.Н. Уголев, В.И. Федю ков, а также за рубежом Й. Беничак, М. Гжевский, Р. Илле, Я. Кокавец, Е. Райчен, JI. Регинач, Д. Ругковский, Дж. В. Стретт, X. Дитрих и многих других.

Между тем известные способы определения резонансных свойств древесины в большинстве случаев являются полностью или частично разрушающими, изучалась она в основном в продольном направлении анизотропии. При этом азимут расположения образцов древесины не учитывался. Колотые сортименты не рассматривалось как изучаемый объект из-за недостаточного

внимания к тангенциальному направлению анизотропии. Точность ультразвукового метода зависит от геометрических размеров и типа акустического контакта с поверхностью образца, поэтому необходима разработка насадки для точечного контакта с древесиной.

Современные приборы, при применении к ним конусных насадок, позволяют применять колотые сортименты вместо стандартных образцов древесины, которые для измерений акустических показателей древесины не требуют по сравнению со стандартными образцами трудоемкой и сложной механической обработки и являются готовой продукцией.

2. Теоретическое обоснование отбора колотых сортиментов качественной древесины. Разработана схема ориентации кряжей на модельных деревьях после визуального отбора их в лесу.

Разметка модельного дерева (рис.1) проводилась от корневой шейки дерева кш по диаметру £>|3 м. Далее на высоте я, 2 м от корневой шейки размечался первый кряж с высотой 0,5 м, далее вверх второй и третий кряжи.

Кряжи размечались на 12 секторов (рис. 2) с учетом азимута и раскалывались. Все сектора имели угол а = 30°. Первый сектор размечался по 15° от метки с северной стороны. Раскол кряжей вручную, при помощи топора, приводит к неравномерному сколу. В связи с этим применялся гидравлический пресс П-125 для раскола кряжей на 12 секторов. Радиус К показывает место предполагаемых точек прозвучивания в тангенциальном направлении.

Основными акустическими показателями древесины являются: время УЗК (прибор Пульсар-1.0) /, с; скорость УЗК с = 1/1, м/с; длина пути ультразвука (длина образца) в месте прозвучивания I, м; акустическая константа к = ^Е/ръ =с/р, м4/(кг с); акустическое сопротивление п = р-с, кг/(м4-с).

Рис. 1. Схема размет- Рис. 2. Разметка кряжа на ки ствола на кряжи сектора с учетом азимута

На рисунке 3 показаны основные параметры колотого сортимента: ь — высота; л — радиус точки прозвучивания от центра; в — ширина; Ь — ширина в месте прозвучивания; Л расстояние от коры до точки прозвучивания.

В тангенциальном направлении показание времени измерялось дважды (при трех повторах) - сразу после расколки кряжей на сектора и после выдержки до воздушно-сухого состояния влажности древесины. В тангенциальном направлении анизотропии колотые сортименты размечались в трех точках: посередине /с и с отступом 10 см от комля (к и вершины /<? колотого сортимента (рис. 4).

В продольном направлении показания времени УЗК фиксировались через каждые 20 мм, начиная со стороны коры, при воздушно-сухом состоянии влажности древесины. При расколе кряжа сектора неодинаковы по радиусу, поэтому количество мест прозвучивания было от 5 до 7. Измерения проводились в двух направлениях: излучатель на комле колотого сортимента

В диссертации сравнены ранговые распределения экспоненциального спада (рис. 5) скорости ультразвука по осям анизотропии ели:

в продольном направлении са = 50бЗ,59бехр(-0,00219го2,56); (1)

радиальном направлении Сг = 1992,685ехр(-0,154г,.0'36) (2)

и тангенциальном С, = 15И,288ехр(-0,0452г,и2). (3)

продольно радиалыю тангенциально

Рис. 5. Ранговое распределение скоростей ультразвука по осям анизотропии Коэффициент корреляции во всех направлениях анизотропии очень высок - более г = 0,99, теснота связи между показателями сильнейшая. Относительная погрешность менее допустимой - 5%.

сортимента

Рис. 4. Разметка мест прозвучивания и с вершины в каждой точке.

3. Методика лабораторных экспериментов и производственных испытаний. Для сравнения применялись стандартные образцы из древесины ели и оргстекла. Также испытывались заготовки и детали музыкальных инструментов и резонансные дощечки для их изготовления.

На ультразвуковом приборе была выбрана пара с датчиками ПШ-0,06-П31МС, имеющая частоту излучения 60 кГц и подходящая для контроля качества древесины. Учитывалось, что скорость УЗК в продольном, радиальном и тангенциальном направлениях анизотропии древесины соответствует требованиям. Для древесных образцов неплоской формы оптимальный угол конусной насадки равен 42° при длине 35-40 мм с одинаковыми насадками на излучающем и приемном датчиках (потери времени через них 15,6 мкс).

Для учета масштабного фактора, при разной длине прохождения ультразвука частотой 60 кГц, применялся один стандартный образец из древесины ели в форме бруска размерами 20x20x300 мм по ГОСТ 16483.31-74. Ультразвуковым прибором Пульсар-1.0 с предложенными конусными насадками все измерения были выполнены на одном стандартном образце, что исключило влияние внешних свойств. Измерения проводились при пяти повторах. После измерения от образца отпиливался отрезок длиной около 50 мм. Остаток 250 мм и отрезок 50 мм прозвучивали. Так продолжали отпиливать отрезки убывающей длины и измерять время прохождения УЗК.

Статистическая модель при объединении двух выборок остатков и отрезков от стандартного образца содержит два закона (рис. 6): 1) экспоненциального роста; 2) стрессового возбуждения по формуле

= 6,4561ехр(0,141/°'49) +ЗЮ50777/30,59ехр(-64,822/0'19) .

(4)

Совместное моделирование двух выборок дает больший коэффициент корреляции - 0,9993. Перед каждым опытом была тарировка конусных насадок, т. к. время прохождения УЗК изменяется от смазки и контакта с породой древесины.

Дми отрекоа, >■

Рис. 6. График изменения времени Было выявлено, что в пределах погреш-УЗК от длины остатков и отрезков ности ± 1% можно испытывать образцы древесины длиной от 70 мм и выше, а на образцах длиной 20-70 мм по скорости УЗК будет погрешность менее 5%.

Погрешности измерения длины в ± 0,05 мм (цена деления в 0,1 мм) и отсчета времени УЗК на приборе Пульсар-1.0 в ± 0,05 мкс (цена деления 0,1 мкс) позволяют уловить физический эффект — биотехническое возбуждение омертвевших клеток древесины при акустическом резонансе при росте потерь времени на малых длинах образцов. Этот физико-

акустический эффект можно применять при изучении клеточных структур вдоль по годичным слоям.

Изменение длины отрезка по её нарастанию (рис. 7) показано вдоль стандартного образца. Плотность древесины изменяется с колебательным возмущением. Первый член уравнения плотности является законом экспоненциального спада. Второй член имеет уравнение изменения плотности древесины вдоль стандартного образца, успокаивающего волнения в виде

р = рх+рг, р, = 422,573ехр(-4,689 ■ 10-5*), р2 = Ла^от/р-5,842),

Л = 0,00614л:8'32 ехр(-3,267л-0-51), /> = 7,825 + 0,000134х2-84 . (5)

На расстоянии х от 10 до 65 мм ясно виден физико-акустический эффект, по-видимому, связанный с активным влиянием на прохождение УЗК клеточных структур древесины в продольном направлении анизотропии древесины. В дальнейших опытах нужна четкая трехмерная ориентация стандартного образца относительно комля дерева.

С учетом формул коэффициента корреляции, приведенных в диссертации, можно утверждать, что показатель акустического сопротивления древесины ели в продольном направлении анизотропии древесины может стать основным критерием при отборе древесины на корню.

При моделировании были выявлены физико-акустические эффекты и с волновыми возмущениями показателей ультразвука. Следовательно, для испытания ели в растущем состоянии, при определенных условиях, можно применять: время УЗК при образцах постоянной выбранной длины, скорость УЗК на образцах разной длины. Этот метод учета масштабного фактора, при длине испытуемого образца древесины в пределах от 5 до 300 мм, показал волновые составляющие статистических закономерностей акустических показателей древесины в продольном направлении анизотропии древесины при прохождении УЗК.

4. Результаты лабораторных и производственных экспериментов. На основе требований ГОСТ 16483.6-80 были отобраны модельные деревья с резонансной древесиной по внешним морфологическим признакам на площади смешанного леса в Куярском лесничестве в 2009 г. (в диссертации дано таксационное описание). Основные опыты проводились на колотых сортиментах древесины двух пород - ели и березы (всего 72 образца у 6 кряжей). Измерялся вес колотых сортиментов при начальном и воздушно-сухом состоянии древесины. Учитывалась масса коры в воз-

Рис. 7. Изменение длины отрезка вдоль стандартного образца

Колотые сортименты березы у всех трех кряжей после расколки Вершина сортимента Середина сортимента Комель сортимента

1Т1 ...........................................1Т, «Д к.« «л «и м

Ширина замера, мм Ширина замера, мм Ширина замера, мм

Колотые сортименты ели у всех трех кряжей после расколки

Ширина замера, мм Ширина замера, мм Ширина замера, мм

Рис. 8. Зависимость времени прохождения УЗК от ширины колотых сортиментов в точках измерения

душно-сухом состоянии. Все измерения выполнялись с учетом трех осей анизотропии древесины.

На показания времени УЗК в тангенциальном направлении после расколки кряжей на сектора самое большое влияние имеет ширина замера (рис. 8), что естественно и объясняется ростом пути прохождения ультразвуковых колебаний.

Многие параметры колотых сортиментов зависимы друг от друга. Например, на крупном кряже сектора будут с большим радиусом и шириной. Меньший разброс показаний времени был на колотых сортиментах из древесины березы, следовательно, у нее макроскопическое строение ровнее. Время УЗК от ширины замера имеет сильную факторную связь и коэффициент корреляции г = 0,759...0,949 . При этом на колотых сортиментах из древесины ели сильнее влияет азимут.

По влиянию азимута на время УЗК в основном наблюдается закон экспоненциального спада (гибели), начиная с севера. Причем, если на колотых сортиментах из древесины ели это четко выражено, то на березовых образцах наблюдается и закон экспоненциального роста на кряжах при высоте 2,5 м от корневой шейки. При этом коэффициент корреляции практически во всех случаях имеет слабую тесноту связи.

Зависимость акустических свойств от места расположения в стволе растущего дерева и сторон света показана на рисунке 9.

Береза

Рис. 9. Зависимость времени прохождения УЗК от азимута и места расположения кряжа в стволе дерева

Пространственные графики показывают, что имеется волновое изменение времени УЗК от азимута и увеличение показателя от расположения кряжа по высоте.

Исключение точечного попадания в определенные зоны в тангенциальном направлении анизотропии проверено по хордовому распределению времени прохождения УЗК на одном колотом сортименте ЕШ-1 (рис. 10).

Измерения проводились при трех повторах в семи группах по пять точек с интервалом в 1,0 мм. Разброс значений минимальный. Это исключает точечное попадание в определенный слой древесины (ранней или поздней).

Нами доказано, что критерий Фишера соблюдается

при коэффициенте корреля- РИС Ю.Распределение акустической константы ции более 0,5. Поэтому по- В тангенциальном направлении по одному сечению еле программной среды СигуеЕхреЛ сразу же можно узнать об адекватности полученных закономерностей.

Древесина березы высыхает быстрее, но при этом слабо реагирует на стороны света. Поэтому в будущих экспериментах, с момента валки дерева и его раскряжевки, нужно быстрее измерять параметры колотых сортиментов. В продольном направлении азимут, масса и ширина секторов практически не дают влияния на время УЗК (коэффициент корреляции меньше 0,3). У времени УЗК и радиуса измерения коэффициент корреляции равен 0,8 и показывает высокую связь между ними. В будущих опытах можно прозвучивать ствол растущего дерева на заданной глубине (расстоянии от камбиального слоя) от коры ствола.

В радиальном направлении зависимость времени УЗК от ширины колотых сортиментов березы по коэффициенту корреляции имеет высокую тесноту связи при законе экспоненциального роста. Такая нарастающая

[Акустическая константа| і ■ 1

■

1

....... І

І

% % И Нирина обр азца, мм |

динамика показывает, что в будущем по нашему способу возможен отбор резонансных досок при одинаковой их толщине.

Сильное волновое возмущение акустических показателей у еловой древесины, по-видимому, и определяет ствол ели как источник резонансной древесины. По данным таблицы 1 возможен отбор колотых сортиментов ели по акустической константе ( N - количество резонансных колотых сортиментов).

Таблица 1. Количество резонансных колотых Условием отбора

ЛЛПТИ11А11ТЛ11 D TMÍY VnoWHT A IT» HIT —'

будет неравенство к >[к], когда расчетное значение акустической константы будет больше допустимого уровня.

Пусть по данным таблицы 1 допустимый уровень акустической константы равен [а:]=13. В последнем столбце имеем в количестве 31 резонансный колотый сортимент из общего количества 36. Тогда полезный выход резонансной древесины будет равен 100х 31 / 36 = 86,1%.

Если измерен азимут у колотых сортиментов, то возможна технологическая оценка выращивания деревьев ели для резонансной древесины и экологическая оценки территории по свойствам растущих деревьев ели. Для этого нужно знать долю арг резонансной древесины в колотых сортиментах по азимуту.

По данным таблицы 1 получена (рис. 11) волновая функция вида ар9 = 85,882 - 23,840cos(*?>/(2945,415 - 2590,672р0,02) + 3,851) . (6)

Качество древесины ели меняется по секторам ствола, это связано с мутовчатым строением кроны и тем, что корни и ветви взаимно увязаны круговоротом питательной воды от корней и продуктов ассимиляции до ветвей. Наибольшее количество худших по качеству колотых сортиментов было в секторе 60-120 градусов.

Уровень допуст. [л:] Азимут колотого сортимента <р , град N , шт.

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 36

6 3 3 3 2 3 3 3 3 3 3 3 3 35

7 3 3 3 2 3 3 3 3 3 3 2 3 34

9 3 3 2 2 3 3 3 3 3 3 2 3 33

12 3 3 2 2 3 3 3 2 3 3 2 3 32

13 3 3 2 2 2 3 3 2 3 3 2 3 31

14 3 3 2 1 2 3 3 2 2 2 2 2 28

15 1 1 0 1 2 1 3 1 2 2 2 2 18

16 1 1 0 1 0 0 2 0 0 0 0 0 5

17 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 3

18 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

, шт. 3 3 2 2 2 3 3 2 3 3 2 3 -

Доля арг, % 100 100 67 67 67 100 100 67 100 100 67 100 -

Лзнцт распаюжсмк! пшкмьеа » кртжс, фад

Рис. 11. Доля (%) резонансных колотых сортиментов по азимуту кряжа ели

5. Апробация и внедрение работы. Для сравнения акустических показателей колотых сортиментов по азимуту и направлениям анизотропии (рис. 12 и рис. 13) был выбран кряж на высоте 2,5 м от корневой шейки у двух пород (средние по трем измерениям).

У березы по азимуту изменчивость меньше. Плотность значимо меняется по азимуту, поэтому производные от неё показатели также изменчивы.

Несовпадение березы и ели по пропорциям вдоль

каждого азимута указывает на то, что структура секторов ствола значимо влияет на показатели По направлениям анизотропии все четыре показателя УЗК непостоянные. Здесь (рис. 13) влияет не только плотность, но и геодезическое расположение колотых сортиментов в стволе. В тангенциальном направлении акустическая константа выше в сравнении с продольным направлением анизотропии древесины из-за масштабного фактора.

Экономическая эффективность на лесных предприятиях от предлагаемого способа отбора резонансного колотого сортимента вычислялась дополнением существующего технологического процесса лабораторией ультразвуковой диагностики, механизмами и устройствами для отбора, хранения, перемещения по складу и формирования кассет с резонансной древесиной, которые будут отправляться на фабрики или к индивидуальным предпринимателям, изготовляющим музыкальные инструменты или акустические панели. Из множества колотых сортиментов 3,3-5,0% пригодны как акустическая древесина. Принято два варианта по объёму выхода резонансного колотого сортимента. Выручка в смену в обоих вариантах больше, чем от

Скорость УЗК, м/с

Акустическая константа, м /(кг с)

Рис. 12. Сравнение ультразвуковых параметров древесины при изменении азимута колотых сортиментов по двум породам: Е - ель; Б - береза

УЗК в тангенциальном направлении анизотропии.

Скорость УЗК, м/с Акустическая константа,м4/(кг с)

10000^ 10//_й% 20/ 11/ / \ ІО Гп^А Щ 9 .4. ш -Ч/ >7 / _________--* 6

10 V И \ № \ \ V ' \ у

Рис. 13. Сравнение параметров ели по направлениям анизотропии: продольное—; тангенцнальное—; радиальное (в центре).....

технологических и топливных дров, даже с учётом дополнительных затрат (440,2 тыс. руб.).

В диссертации приведены технологические схемы и оборудование участка расколки дров с лабораторией ультразвуковой диагностики колотых сортиментов. Так как предприятие, на базе которого планируется реализовать проект, не убыточное и получает прибыль от своей деятельности, то с учётом расчётов, приведенных в диссертации, его прибыль возрастет (табл. 2).

Таблица 2. Экономическая эффективность от внедрения технологии отбора резонансных колотых сортиментов

Период Смена Месяц Год

Базовый вариант

Товарная продукция, тыс. руб. 41,5 830,4 10297

Дополнительные затраты, тыс. руб. 0,0 0,0 0,0

Прибыль, тыс. руб. 41,5 830,4 10297

Первый вариант - объем резонансных колотых сортиментов 3,3%

Товарная продукция, тыс. руб. 47,6 951,6 11324

Прирост товарной продукции, тыс. руб. 6,1 121,2 1442

Дополнительные затраты, тыс. руб. 5,7 113,3 1348

Прибыль, тыс. руб. 0,4 7,9 94

Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений, тыс. руб. 4 года и 10 мес. - 455 тыс. руб.

Второй вариант - объем резонансных колотых сортиментов 5%

Товарная продукция, тыс. руб. 50,6 1011,1 12537

Прирост товарной продукции, тыс. руб. 9,0 180,7 2150

Дополнительные затраты, тыс. руб. 5,7 113,3 1348

Прибыль, тыс. руб. 3,4 67,4 802

Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений, тыс. руб. 8 месяцев - 472,6 тыс. руб.

Как показали экономические расчеты, дополнение технологии расколки дров, причем даже с сердцевинной гнилью, является выгодным и будут возрождаться цеха по переработке дровяных хлыстов и сортиментов.

Для отбора в дровяных и столярно-раскроечных цехах малообъемных лесных предприятий выделяются небольшие помещения для создания лаборатории ультразвуковых испытаний древесины. Достоинством предложенного способа является также и то, что приборы типа Пульсар-1.0 изготовляются массово на отечественных приборостроительных заводах, которые могут выпускать и конусные насадки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (Основные выводы и рекомендации). На основе теоретических и экспериментальных исследований на резонансных кряжах, расколотых на сектора колотых сортиментов, в диссертации были сформулированы следующие основные научные выводы.

1. Выявлено, что относительная погрешность измерений и моделирования в направлениях анизотропии не превышает допустимых 5%. Тангенциальное направление анизотропии древесины изменяется в зависимости от азимута расположения секторов колотых сортиментов в кряже. Поэтому предлагаемый запатентованный способ отбора резонансной древесины является точным. На производстве он позволяет отбирать из дров на участках расколки резонансные колотые сортименты.

2. Для точечного контакта обоснованы конусные насадки с углом 42° при длине 47,4 мм. Время УЗК через конусные насадки на датчиках составляет 15,6 мкс. В пределах ± 1% можно испытывать образцы древесины длиной от 70 мм и выше, а на образцах длиной 20-70 мм по скорости УЗК будет погрешность до 5%. Погрешности измерения длины в ± 0,05 мм и отсчета времени УЗК на приборе Пульсар-1.0 в ±0,05 мкс позволяют улавливать физический эффект влияния азимута на свойства древесины. В продольном направлении анизотропии древесины необходимо учитывать масштабный фактор, поэтому из кряжа длиной 0,5 м рекомендуется выкалывать 12 секторов.

3. На время прохождения ультразвука в тангенциальном направлении анизотропии колотых сортиментов самое большое влияние оказывает ширина замера (коэффициент корреляции г = 0,759...0,949 ), что объясняется ростом пути прохождения волн. Акустическое сопротивление в древесине березы уменьшается к северу кряжа и в среднем составляет 5,5 -106 кг/(м2 с), на колотых сортиментах ели оно колеблется в пределах 3,5...4,0106 кг/(м2-с). Влияние азимута на время УЗК мало для березы и значимо для ели и в основном по закону экспоненциального спада с сильной волновой составляющей, причем это влияние возрастает с увеличением места расположения кряжа по высоте ствола.

4. Скорость УЗК на березе уменьшается с увеличением высоты расположения кряжа в стволе, но равномернее по сравнению с елью. Малая ширины замера на колотых сортиментах после расколки кряжей ели на 12 секторов, по сравнению со стандартным образцом ели длиной 300 мм, дает разницу в скорости УЗК до 2%. Поэтому тангенциальное направление на колотых сортиментах сопоставимо с результатами прозвучивания в продольном направлении, но при этом затраты труда намного меньше. Скорость УЗК на колотых сортиментах с изменением азимута характеризуется четкой волновой закономерностью с импульсными впадинами для древесины ели.

5. Акустическая константа к в колотых сортиментах ели составляет в среднем 11-14, местами до 15 м4/(кг с) и более, что определяет их как резонансную древесину. Для древесины березы - 7,5...12,5 м4/(кг с), что приемлемо для крепежных деталей музыкальных инструментов. Высокие значения К наблюдаются на колотых сортиментах на уровне 2,5-3,0 м от

корневой шейки. Как и скорость УЗК, акустическая константа снижается по высоте ствола. Заметно увеличение этого показателя с северной стороны ствола.

6. Условием отбора резонансных древесины будет лг>[а']. Для ели допустимый уровень 13 . Полезный выход резонансной древесины ели составляет 86,1%. В экономических расчетах принимается полезный выход из дров только до 5% резонансной древесины. При этом участок с дополнительной ультразвуковой лабораторией вполне окупается. При сертификации на корню ели на специализированном участке расколки кряжей выход резонансной древесины может достичь 86,1%.

7. Анализ влияния высоты точки замера от комлевой шейки на акустические показатели показал, что тенденция имеет слабую тесноту связи по коэффициенту корреляции 0,148. Однако волновая составляющая получает сильнейшую факторную связь с коэффициентом корреляции выше 0,9. На комлевой части ели до высоты 2,62 м скорость ультразвука нарастает до максимума, после этой высоты получает сильное колебательное возмущение. При этом полупериод волны уменьшается по показательному закону, а частота колебания, соответственно, возрастает. Амплитуда колебания К также нарастает с высотой от корневой шейки, период колебания растет, но при этом частота колебания снижается.

8. Определяющим показателем акустических свойств древесины является не само значение акустической константы, а однородность этого показателя по секторам кряжа. Время УЗК зависит от ширины колотых сортиментов, направления, плотности, влажности и наличия пороков. Качество древесины меняется по секторам поперечного сечения ствола ели. Наибольшее количество худших по качеству секторов у ели наблюдалось в промежутке азимута 60-120 градусов. Таким образом, отбор резонансных секторов на стволе дерева ели можно в перспективе проводить в растущем состоянии.

Рекомендации производству.

Для эффективного внедрения технологии отбора резонансной древесины колотыми сортиментами на лесных предприятиях рекомендуется следующее.

1. Для внедрения предложенного способа нужна лаборатория ультразвукового испытания, оснащаемая серийно выпускаемыми в стране ультразвуковыми приборами и оборудованием.

Если в смену перерабатывается 120 м3 дров, а минимальный выход из технологических и топливных дров резонансных может составить 3,3 м3, то минимальная прибыль предприятия будет 395 руб./смену.

Из всего выбора дров многие, даже с сердцевинной гнилью, могут быть отобраны в качестве акустического материала, что увеличит прибыль, при-

чем отбор на колотых сортиментах можно проводить на кряжах любой сортности.

2. Начальные инвестиции составят 440,2 тыс. руб. (на 01.01.2012 г.), чистый доход от реализации резонансных колотых сортиментов в смену достигнет до 3 369 руб./смену, т.е. в месяц - 67 380 руб. и в год - 801,8 тыс. рублей. Дополнение существующей технологии расколки дров, даже с сердцевинной гнилью, на станках типа Н-8 или Н-10 с последующим отбором до 5% резонансной древесины является выгодным.

3. На лесных предприятиях и нижних складах нужно выделить около участка расколки дров небольшое помещение для лаборатории ультразвуковых испытаний и отбора резонансной древесины.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы: в изданиях, определенных ВАК России

1. Темнова, Е.Б. Производственный способ ультразвукового контроля акустических свойств на поленьях ели и березы [Текст] / Е.Б. Темнова // Деревообрабатывающая промышленность. - 2010. - № 4. - С. 27-29. (0,19).

2. Мазуркин, П.М. Ультразвуковые показатели древесины ели, определенные на отрезках стандартного образца [Текст] / П.М. Мазуркин, Е.Б. Темнова // Деревообрабатывающая промышленность. - 2010. - № 4. - С. 21-23. (0,19/0,09).

3. Мазуркин, П.М. Отбор резонансной древесины поленьями [Текст] / П.М. Мазуркин, Е.Б. Темнова // Вестник КГТУ. - 2012. - № 5. - С. 121-124. (0,38/0,19)

патенты

4. Пат. 2334984 Российская Федерация, МПК7 G01N33/46 (2006.01). Способ ультразвукового испытания поленьев резонансной древесины / Мазуркин П.М., Темнова Е.Б. (РФ); заявитель и патентообладатель Марийск. гос. тех. ун-т. -№ 2006126506/12; заявл. 20.07.2006; опубл. 27.09.2008. (1,00/0,50).

в других изданиях н материалах конференций

5. Темнова, Е.Б. Применение ультразвука в определении резонансных свойств древесины поленьев [Текст] / Е.Б. Темнова // Успехи современного естествознания.

- 2009. - № 8. - С. 8-14. (0,44).

6. Темнова, Е.Б. Резонансные свойства древесины поленьев ели [Текст] / Е.Б. Темнова // Наука в условиях современности: итоги науч.-техн. конф. МарГТУ.

- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. - С. 212-215. (0,25).

7. Мазуркин, П.М. Динамичность показателей прохождения ультразвука через прямоугольные образцы древесины ели разной длины [Текст] / П.М. Мазуркин, Е.Б. Темнова И Казанская наука. - Казань, 2010. - № 2. - С. 20-25. (0,38/0,19)

8. Мазуркин, П.М. Время распространения ультразвуковых колебаний через конусные насадки в эталонном образце из оргстекла [Текст] / П.М. Мазуркин, Е.Б. Темнова//Казанская наука. - Казань, 2010. -№ 1. - С. 23-28. (0,38/0,19).

9. Темнова, Е.Б. Резонансные свойства поленьев ели [Текст] / Е.Б. Темнова // Инноватика 2010: сб. материалов VI Всероссийской науч.-практ. конф. молодых ученых. - Томск: ТМЛ-Пресс, 2010. - Т. 1. - С. 177-182. (0,38).

10. Темнова, Е.Б. Ультразвук через убывающую длину остатков от стандартного образца древесины ели [Текст] / Е.Б. Темнова // Охрана и защита, обустройство, индикация и тестирование природной среды: сб. статей. - М.: Академия Естествознания, 2010. - С. 269-277. (0,56)

11. Темнова, Е.Б. Ультразвук через нарастающую длину остатков от стандартного образца древесины ели [Текст] / Е.Б. Темнова // Охрана и защита, обустройство, индикация и тестирование природной среды: сб. статей. - М.: Академия Естествознания, 2010. - С. 289-296. (0,50).

12. Темнова, Е.Б. Время распространения ультразвуковых колебаний через конусные насадки в стандартном образце из древесины ели в продольном направлении [Текст] / Е.Б. Темнова // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований, 2011. - № 3. - С. 42-48. (0,44).

13. Темнова, Е.Б. Ультразвук через нарастающую длину остатков от стандартного образца древесины ели [Текст] / Е.Б. Темнова // сб. статей студентов, аспирантов и преподавателей. - М.: Академия Естествознания, 2010. - С. 289-295. (0,44)

14. Темнова, Е.Б. Ультразвук через убывающую длину остатков от стандартного образца древесины ели [Текст]: научно-учеб. издание / Е.Б. Темнова // Сб. статей студентов, аспирантов и преподавателей. - М.: Академия Естествознания. - 2010. -С. 296-303. (0,50).

15. Мазуркин, П.М. Масштабный фактор ультразвуковых испытаний древесины ели вдоль волокон на стандартном образце [Текст] / П.М. Мазуркин, Е.Б. Темнова // Современные наукоемкие технологии. - 2010. - № 6. - С. 57-68. (0,75/0,38).

16. Темнова, Е.Б. Время распространения ультразвуковых колебаний через конусные насадки в образце из древесины ели в тангенциальном направлении [Текст] / Е.Б. Темнова// Современные наукоемкие технологии. - 2011. - № 1. - С. 25-31. (0,44).

17. Мазуркин, П.М. Акустические показатели древесины растущих деревьев [Текст] / П.М. Мазуркин, АА. Колесникова, Е.Б. Темнова // Успехи современного естествознания.-2012. -№ 1.-С. 73-77. (0,31/0,09)

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.146.03 или Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями направлять по адресу: 141005, Московская обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ.

ТЕМНОВА Екатерина Борисовна

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОТБОРА КОЛОТЫХ СОРТИМЕНТОВ С РЕЗОНАНСНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано к печати 07.03.2013. Усл. печ. л. 1,0. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № 5046. РИЦ ПГТУ. 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17.