СПОСОБ РАСКРОЯ БРЕВНА НА ПИЛОМАТЕРИАЛЫ
METHOD OF LOG CUTTING INTO TIMBER

Изобретение относится к лесопильной промышленности и может быть использовано в способах раскроя бревен и брусьев на пиломатериалы.
Известен ряд способов раскроя сырья на пиломатериалы, предусматривающих повышение качества продукции лесопиления и максимальное использование древесного сырья за счет рационального подбора номинальных размеров выпиливаемых материалов и их расположения в поставе (схеме раскроя) в зависимости от диаметра распиливаемого бревна и назначения пилопродукции (Ю.Р.Бокшанин «Обработка и применение древесины лиственницы». - М.: Лесная промышленность, 1973, с.82-102; В.Ф.Ветшева «Раскрой крупномерных бревен на пиломатериалы». - М.: Лесная промышленность, 1976).
Известные способы направлены на обеспечение валовых, объемных показателей и приводят к получению разнотолщинных досок из-за отсутствия корректировки припуска на усушку для отдельных выпиливаемых досок.
Известен способ раскроя бревна на пиломатериалы, обеспечивающий повышение качества пиломатериалов путем снижения их разнотолщинности за счет назначения при распиловке припуска на усушку по толщине в зависимости от положения доски относительно оси бревна (RU №2038945, опубл. 1995 г. - прототип).
Недостатком известного технического решения является то, что не прогнозируются и не учитываются возможные потери выпиливаемых пиломатериалов (досок) при их последующей сушке из-за коробления, растрескивания и разнотолщинности, что снижает качество выпиленных пиломатериалов.
Техническая задача изобретения - повышение эффективности способа раскроя бревен путем повышения качества выпиливаемых пиломатериалов за счет выполнения способа раскроя бревна, а также бруса с учетом возможных потерь качества выпиливаемых материалов при дальнейшей сушке.
Поставленная задача достигается тем, что в заявленном способе раскроя бревна на пиломатериалы, включающем определение породы, замер диаметра бревна, установление начальной и конечной влажности, назначение схемы раскроя бревна, а также - бруса, распиловку бревна на брус и пиломатериалы, а также распиловку бруса на пиломатериалы - способ выполняют с учетом возможных потерь качества выпиленных пиломатериалов при их дальнейшей сушке, при этом перед назначением схемы раскроя прогнозируют благоприятные зоны бревна, а также бруса, обеспечивающие выход пиломатериалов с минимальными потерями их качества при дальнейшей сушке из-за коробления, растрескивания и разнотолщинности, определяют для каждой доски расстояние от оси бревна, а также - бруса до ее наружной пласти, по которому при назначении схемы раскроя бревна, а также бруса - из благоприятной зоны выбирают размер ширины каждой доски, характеризующейся наименьшей разностью коэффициентов усушки ее внутренней и наружной пластей.
Прогнозирование может быть выполнено по полученной экспериментально с учетом показателя величины разности коэффициентов усушки внутренней и наружной пластей досок - диаграмме, содержащей породу, конечную влажность, толщину, ширину досок, расстояние от оси бревна, а также бруса до наружной пласти доски.
Прогнозирование может быть выполнено также с помощью компьютерных программ.
Изобретение имеет следующие отличия от прототипа:
- способ выполняют с учетом возможных потерь качества выпиленных пиломатериалов при их дальнейшей сушке;
- перед назначением схемы раскроя прогнозируют благоприятные зоны бревна, а также бруса, обеспечивающие выход пиломатериалов с минимальными потерями их качества при дальнейшей сушке из-за коробления, растрескивания и разнотолщинности;
- определяют для каждой доски расстояние от оси бревна, а также - бруса до ее наружной пласти, по которому при назначении схемы раскроя бревна, а также бруса - из благоприятной зоны выбирают размер ширины каждой доски, характеризующейся наименьшей разностью коэффициентов усушки ее внутренней и наружной пластей;
- прогнозирование может быть выполнено по полученной экспериментально с учетом показателя величины разности коэффициентов усушки внутренней и наружной пластей досок - диаграмме, содержащей породу, конечную влажность, толщину, ширину досок, расстояние от оси бревна, а также бруса до наружной пласти доски;
- прогнозирование может быть выполнено с помощью компьютерных программ.
Это позволит повысить эффективность способа раскроя бревен путем повышения качества выпиливаемых пиломатериалов за счет выполнения способа раскроя бревна, а также бруса с учетом возможных потерь качества выпиливаемых материалов при дальнейшей сушке.
В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также технических решений, содержащих указанные признаки.
Изобретение применимо и будет использоваться в отрасли в 2012 г.
На фиг.1 изображена выпиливаемая доска в системе координат.
На фиг.2а) изображена расчетная форма сечений досок в результате сушки.
На фиг.2б) изображена экспериментальная форма сечений досок в результате сушки.
На фиг.3 изображен график, показывающий поперечное коробление внутренней и наружной пластей пиломатериалов из сосны.
На фиг.4 изображен график, показывающий разнотолщинность пиломатериалов из сосны в результате сушки.
На фиг.5 изображен график, показывающий потери в стружку из-за поперечного коробления пиломатериалов из сосны в результате сушки.
На фиг.6а) изображен график, позволяющий определить разность коэффициентов усушки пластей досок разной ширины для сосновых досок толщиной 10 мм.
На фиг.6б) изображен график, позволяющий определить разность коэффициентов усушки пластей досок разной ширины для сосновых досок толщиной 45 мм.
На фиг.7 изображен график для определения ширины доски с наименьшей разностью коэффициентов усушки пластей.
На фиг.8 изображена диаграмма для прогнозирования схемы раскроя бревен из лиственницы.
На фиг.9 изображена схемы раскроя бревна (первый проход).
На фиг.10 изображена схема, поясняющая целесообразный раскрой бревна в пределах зоны, в которой коробление и растрескивание пиломатериалов наибольшее.
На фиг.11 изображена диаграмма для прогнозирования схемы раскроя бревен хвойных пород.
Разработка заявленного технического решения проведена путем следующих исследований.
При проведении исследований рассматривалось расположение выпиливаемой доски относительно оси бревна в системе координат (фиг.1),
a
a
1
2
где ,  - расстояние от оси бревна до левой и правой кромок доски соответственно, мм;
1
b - координата внутренней пласти доски, соответствующая расстоянию от оси бревна до внутренней пласти доски, мм;
2
b - координата наружной пласти доски, соответствующая расстоянию от оси бревна до наружной пласти доски, мм;
θ - угол наклона радиуса-вектора, проведенного в исследуемую точку на пласти доски, к оси Х;
точка 0 (начало координат) - геометрический центр сечения бревна, через который проходит продольная ось бревна, контур сечения которого показан в виде окружности с центром в точке 0.
Установлено, что неравномерная усушка древесины при снижении гигроскопической влажности приводит к изменению размеров и формы сечений пиломатериалов. Неодинаковая усушка пластей доски является главной причиной появления поперечного коробления, превышение которого над допускаемым стандартным значением снижает сортность выпиленных пиломатериалов после их сушки.
Количественно усушка древесины в различных направлениях оценивается соответствующим коэффициентом усушки.
Неодинаковая усушка пластей, численно характеризуемая разностью коэффициентов усушки, является главной причиной появления поперечного коробления досок при сушке, которое вычисляют по формуле:
- для внутренней пласти:
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>K</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>W</mi></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><msub><mi>K</mi><mi>r</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msqrt><mrow><msubsup><mi>a</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>b</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>W</mi></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><msub><mi>K</mi><mi>t</mi></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>W</mi></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><msub><mi>K</mi><mi>r</mi></msub></mrow></mfrac><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>−</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
- для наружной пласти:
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>K</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>W</mi></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><msub><mi>K</mi><mi>r</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msqrt><mrow><msubsup><mi>a</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>b</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>W</mi></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><msub><mi>K</mi><mi>t</mi></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>W</mi></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><msub><mi>K</mi><mi>r</mi></msub></mrow></mfrac><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>−</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
K1
где f - поперечное коробление для внутренней пласти доски, мм;
K2
f- поперечное коробление для наружной пласти доски, мм;
пг
к
пг
к
ΔW - снижение средней влажности древесины по отношению к пределу гигроскопичности при сушке, %. Вычисляют разностью между пределом гигроскопической влажности древесины W и конечной влажностью досок W после сушки, т.е. ΔW=W-W;
а
2
- расстояние от оси бревна до правой кромки доски, мм;
1
b - координата внутренней пласти доски, соответствующая расстоянию от оси бревна до внутренней пласти доски, мм;
2
b - координата наружной пласти доски, соответствующая расстоянию от оси бревна до наружной пласти доски, мм;
t
К- коэффициент усушки древесины в тангенциальном направлении, %;
r
К - коэффициент усушки древесины в радиальном направлении, %.
Результаты расчетов по формулам (1) и (2) и экспериментальные данные для сосновых пиломатериалов приведены на фиг.2 [а) и б)].
Поперечное коробление внутренней пласти больше, чем наружной (фиг.3), и это является причиной появления разной толщины доски на кромках и посередине.
Разнотолщинность по ширине доски, зависящую от разности коэффициентов усушки пластей, вычисляют по формуле:
<mrow><msub><mi>Р</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>K</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>K</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mi>S</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
k
где P - разнотолщинность по ширине доски, %;
S - толщина доски, мм;
K1
f - поперечное коробление для внутренней пласти доски, мм;
K2
f - поперечное коробление для наружной пласти доски, мм.
График, показывающий разнотолщинность досок из сосны после сушки, представлен на фиг.4.
От величины поперечного коробления зависит припуск на механическую обработку доски. Составляющую припуска на механическую обработку из-за поперечного коробления определяют как сумму величин коробления внутренней и наружной пластей:
<mrow><mi>П</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>K</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>K</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mi>S</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где П - составляющая припуска на механическую обработку из-за поперечного коробления доски при сушке, %;
S - толщина доски, мм;
K1
f - поперечное коробление для внутренней пласти доски, мм;
K2
f - поперечное коробление для наружной пласти доски, мм.
Потери в стружку из-за коробления досок из сосны показаны на графике (фиг.5).
При сушке пиломатериалов с механическим ограничением появляющегося поперечного коробления (собственным весом штабеля либо при использовании прижимных устройств) в них появляются дополнительные внутренние напряжения, равнодействующую которых (силу коробления) вычисляют по формуле:
<mrow><msub><mi>Р</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>S</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mi>Δ</mi><mi>W</mi><mi>L</mi></mrow><mrow><mn>3</mn><mi>B</mi></mrow></mfrac><mi>δ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>β</mi><mi>Δ</mi><mi>W</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
k
где Р - сила коробления доски, Н;
S - толщина сечения доски, мм;
В - ширина сечения доски, мм;
0
E - модуль упругости среднего слоя доски;
ΔW - снижение средней влажности доски по отношению к пределу гигроскопичности, %;
L - длина доски, м;
δ - разность коэффициентов усушки наружной и внутренней пластей;
β - коэффициент влияния влажности на величину модуля упругости.
При одинаковых геометрических размерах досок (ширина, толщина, длина) величина силы коробления их (а следовательно, и дополнительные внутренние напряжения от недопущенного коробления) зависит только от разности коэффициентов усушки пластей, как это следует из (5).
Показатель величины разности коэффициентов усушки внутренней и наружной пласти доски определяется по формуле:
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mi>t</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mi>r</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>x</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>x</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msubsup><mi>b</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msubsup><mi>b</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где δ - разность коэффициентов усушки внутренней и наружной пластей доски, %;
t
К- коэффициент усушки древесины в тангенциальном направлении, %;
r
К - коэффициент усушки древесины в радиальном направлении, %;
1
2
b, b- координаты внутренней и наружной пластей доски, соответствующие расстояниям от оси бревна до внутренней и наружной пластей соответственно, мм (см. фиг.1).
Разность коэффициентов усушки пластей досок различной ширины в зависимости от координаты внутренней и наружной пластей доски, соответствующие расстояниям от оси бревна до внутренней и наружной пластей соответственно, проиллюстрирована на фиг.6 [а) и б)].
<mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
1
2
Разность коэффициентов усушки пластей досок при
, где b и b - координаты внутренней и наружной пластей доски, соответствующие расстояниям от оси бревна до внутренней и наружной пластей соответственно.
1 - 10/0; 2 - 20/10; 3 - 30/20; 4 - 40/30; 5 - 50/40; 6 - 60/50;
7 - 45/0; 8 - 55/10; 9 - 65/20; 10 - 75/30; 11 - 85/40.
Механическое ограничение появляющегося при сушке поперечного коробления (из-за веса материала в сушильном штабеле или в случае применения прижимных устройств) вызывает появление в досках дополнительных растягивающих напряжений на наружной пласти, что служит причиной возникновения пластевых трещин и понижения сортности пиломатериалов.
На фиг.7 изображен график зависимости разности коэффициентов усушки пластей от ширины пласти доски.
1
2
«Срезая» верхнюю часть графика (фиг.7) с максимальными значениями разности коэффициентов усушки пластей, находят размеры и положение доски на схеме раскроя бревна и бруса (b, b - координаты внутренней и наружной пластей доски, соответствующие расстояниям от оси бревна до внутренней и наружной пластей), при которых разность усушки пластей будет наименьшей.
1
2
Выбирают в качестве граничной точку 1, совпадающую с точкой перегиба на графике δ(х), и проводят через нее горизонтальную линию 1-2, отсекающую максимальную часть графика. При значениях x<x и x>х разность коэффициентов усушки пластей доски считают незначительной.
x
Функция изменения коэффициента усушки К по ширине доски имеет вид:
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>r</mi></msub><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>θ</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>t</mi></msub><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>θ</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mi>t</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mi>r</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mn>2</mn><mi>θ</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
х
где К - значение коэффициента усушки по ширине доски, %;
t
K - коэффициент усушки древесины в тангенциальном направлении, %;
r
К - коэффициент усушки древесины в радиальном направлении, %;
θ - угол наклона радиуса-вектора, проведенного в исследуемую точку на пласти доски, к оси Х (фиг.1).
Функция разности коэффициентов усушки пластей доски получена с использованием уравнения (7) для внутренней и наружной пластей в декартовых координатах.
Абсциссу точки 1 находят, приравнивая к нулю вторую производную функции разности коэффициентов усушки пластей, и получают:
<mrow><mn>3</mn><msubsup><mi>x</mi><mn>1</mn><mn>8</mn></msubsup><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>b</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>b</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>1</mn><mn>6</mn></msubsup><mo>−</mo><mn>12</mn><msubsup><mi>b</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>b</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>x</mi><mn>1</mn><mn>4</mn></msubsup><mo>−</mo><mn>3</mn><msubsup><mi>b</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>b</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>b</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>b</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>b</mi><mn>1</mn><mn>4</mn></msubsup><msubsup><mi>b</mi><mn>2</mn><mn>4</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
Абсциссу точки 2 вычисляют из (6) после подстановки значения x, найденного из (8).
1
2
1
1
2
2
1
2
1
к
По результатам вычисления значений х и х с использованием уравнений (6) и (8) строили диаграмму (фиг.8). Откладывая по оси ординат значения x при соответствующих расстояниях b от оси бревна до наружной пласти досок, проводят верхнюю наклонную прямую, откладывая значения х при различных b, аналогично проводят нижнюю наклонную прямую, т.е.  ординаты точек на нижней наклонной прямой равны значениям x (см. фиг.7), полученным по формуле (8); ординаты точек на верхней наклонной прямой равны значениям х (см. фиг.7), полученным по формуле (6) с учетом значения x, вычисленного выше;  справа диаграмма ограничена предельным значением расстояния от оси бревна до наружной пласти доски, при котором поперечное коробление доски при сушке до конечной влажности W соответственно 5, 10, 15, 20% будет равно допускаемому стандартному короблению доски.
к
K
Область (2) на диаграмме ограничена справа вертикальной прямой, соответствующей положению наружной пласти доски, при котором ее поперечное коробление при соответствующей конечной влажности W равно допускаемому стандартному значению (f=0,01 В, где В - ширина до
доски, мм).
Таким образом, с учетом показателя величины разности коэффициентов усушки пластей доски оценивают ее качество в результате сушки по величине поперечного коробления, по разнотолщинности в направлении ее ширины, по внутренним напряжениям из-за недопущенного коробления и появляющимся при этом пластевым трещинам.
Диаграмму (фиг.8) условно делят на три области.
1
2
Область 1 диаграммы над верхней прямой, ординаты точек на которой определяют из уравнения (8), характеризует размерные параметры (S, В, b, b) пиломатериалов, у которых при сушке поперечное коробление будет максимальным. При сушке с прижимом у этих досок появится пластевая трещина. Все доски имеют максимальный припуск на механическую обработку (из-за коробления). Область 1 - область растрескивания.
Область 2 характеризует размерные параметры пиломатериалов с наибольшей разностью коэффициентов усушки пластей, наибольшей силой коробления. При сушке с прижимом все доски будут иметь пластевые трещины, при сушке без прижима - коробление. Область 2 - область растрескивания и коробления.
2
Область 3 справа от вертикальной линии с соответствующей конечной влажностью характеризует размерные параметры пиломатериалов с высоким качеством сушки. Справа диаграмма ограничена прямой, которая соответствует значению расстояния от оси бревна до наружной пласти доски (b), при котором коробление при соответствующей конечной влажности не превысит допускаемой величины в соответствии с существующим стандартом. Из-за небольшого коробления опасность появления пластевых трещин и остаточных напряжений невелика, разнотолщинность по ширине доски и припуск на механическую обработку из-за коробления незначительны.
Заявленный способ раскроя бревна на пиломатериалы с помощью полученной диаграммы осуществляли следующим образом.
ПРИМЕР 1
Распиливается древесина лиственницы на лесопильной раме. Начальная влажность выше 30%, диаметр распиливаемого бревна D=30 см, длина бревна L=6 м, ширина пропила 4 мм, толщина доски 30 мм, ширина доски 150 мм, конечная влажность ΔW=10%. С учетом перечисленных параметров с помощью полученной диаграммы прогнозируют благоприятные зоны бревна при первом проходе и бруса при втором проходе, обеспечивающие выход пиломатериалов с минимальными потерями их качества при дальнейшей сушке из-за коробления, растрескивания и разнотолщинности, определяют для каждой доски расстояние от оси бревна до ее наружной пласти и выбирают из благоприятной зоны бревна размер ширины каждой доски, характеризующейся наименьшей разностью коэффициентов усушки ее внутренней и наружной пласти. Первая доска на схеме раскроя при первом проходе бревна (фиг.9) - сердцевинная вырезка толщиной S=30 мм. Координата наружной пласти доски второй доски толщиной 30 мм с учетом припуска на усушку и пропила:
<mrow><msubsup><mtext>b</mtext><mtext>2</mtext><mrow><mtext>''</mtext></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mi>S</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mtext>Y</mtext><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><msub><mtext>b</mtext><mtext>П</mtext></msub><mo>+</mo><mi>S</mi><mo>+</mo><mtext>Y</mtext><mo>=</mo><mtext>15</mtext><mo>+</mo><mtext>0</mtext><mtext>,9</mtext><mo>+</mo><mtext>4</mtext><mo>+</mo><mtext>30</mtext><mo>+</mo><mtext>1</mtext><mtext>,8</mtext><mo>=</mo><mtext>51</mtext><mtext>,7 мм</mtext></mrow>
,
где S - толщина доски, мм;
Y - припуск на усушку по толщине доски, мм (принимается стандартное значение для данной толщины доски и конечной влажности);
П
b - ширина пропила, мм.
2
По диаграмме (фиг.8) доска при b=51,7 мм попадает в область растрескивания (1). При сушке такая доска понизит свою сортность из-за пластевых трещин (при сушке с прижимом) либо из-за чрезмерного поперечного коробления (при сушке без прижима). Третья доска имеет координату наружной пласти:
2
b=51,7+4+30+1,8=87,5 мм.
2
По диаграмме (фиг.8) эта доска при b=87,5 мм и В=150 мм попадает в благоприятную область (3), из чего следует, что качество этой доски не понизится из-за поперечного коробления, пластевых трещин, остаточных напряжений при сушке до конечной влажности 10%. Все остальные доски в брусе при первом проходе не понизят свою сортность из-за коробления и растрескивания при сушке.
При этом наименьшими будут разнотолщинность по ширине доски и припуск на механическую обработку из-за поперечного коробления.
Для сохранения высокого качества сушки досок, попадающих в области (1) и (2) (фиг.10), необходимо предусмотреть для них продольный раскрой посередине пласти, либо полученный при первом проходе брус раскроить вначале пополам и затем на радиальные доски (фиг.10).
Размер толщины бруса (фиг.10) определяют по диаграмме (фиг.8) с учетом толщины, ширины досок и их конечной влажности при сушке.
ПРИМЕР 2
На примере диаграммы (фиг.8) для пиломатериалов из древесины лиственницы построены диаграммы (фиг.11) для пиломатериалов из других хвойных пород различных толщин.
K
Справа диаграммы для каждой толщины досок ограничены конечной влажностью пиломатериалов при сушке, равной W=5%. По горизонтали диаграмму делят на 4 равных отрезка с соответствующей конечной влажностью (10, 15, 20, 25%) пиломатериалов (см. фиг.11). Для каждой толщины доски (фиг.11) представляют в виде отдельных диаграмм, например для S=30 мм (см. фиг.8).
При сушке сосновых досок различной толщины поперечное коробление, разнотолщинность и величина потерь при механической обработке, полученные опытным путем, практически совпадают с результатами расчетов. С увеличением расстояния от оси бревна до наружной пласти доски уменьшаются потери сухих пиломатериалов из-за коробления, разнотолщинности по ширине доски, из-за повышенных припусков на механическую обработку (фиг.3, 4, 5).
2
У сосновой центральной доски (b=40 мм), например, толщиной 40 мм и
шириной 150 мм, при сушке до конечной влажности 10% поперечное коробление наружной пласти составляет 1,771 мм, внутренней пласти - 2,647 мм, а их отношение - 1,494. При сушке такой же доски шириной 160 мм это отношение составит 1,456. Известное экспериментальное соотношение по данным [2] - 1,45.
2
2
Припуск на механическую обработку (из-за коробления) составляет в первом случае - 11,045%, во втором - 11,89% от толщины доски. При размещении этой доски на схеме раскроя бревна с новым расстоянием от оси до наружной пласти, например, b=80 мм, потери при механической обработке (фиг.5) сократятся с 11,045% до 7,5%. При b,=160 мм потери составят 4%.
ПРИМЕР 3
K
2
2
Для досок толщиной 60 и 19 мм предельное значение расстояния от оси бревна до наружной пласти при сушке до конечной влажности W=5% составляет соответственно 112 и 65 мм (фиг.11). Если расстояние от оси бревна до наружной пласти доски толщиной 60 мм меньше, чем 112 мм, то следует прогнозировать снижение ее качества из-за коробления и растрескивания при сушке. В то же время доски толщиной 19 мм при меньшей величине b сохранят свое качество при сушке (при b≥65 мм). Таким образом, выход качественных сухих пиломатериалов можно увеличить, используя при составлении схемы раскроя бревен и брусьев то обстоятельство, что размер области коробления и растрескивания у более тонких пиломатериалов меньше, чем у толстых. В данном примере в области коробления и растрескивания (2) досок толщиной 60 мм можно разместить на схеме раскроя бревна (или бруса) доски толщиной 19 мм с расстояниями до наружной пласти в пределах от 65 до 112 мм. Комбинирование разных толщин досок при составлении схемы раскроя бревен и брусьев с использованием диаграммы (фиг.11) позволяет повысить выход высококачественных сухих пиломатериалов при сушке. В рассматриваемом примере - в 1,72 раза.
В заявленном способе раскроя бревна на пиломатериалы прогнозирование может быть выполнено также с помощью компьютерных программ с использованием математических моделей (6) и (8) для составления компьютерных программ, позволяющих оценивать схему раскроя бревен с учетом количества возможных потерь выпиливаемых пиломатериалов из-за дефектов при последующей сушке.
В отличие от прототипа, в котором при составлении схемы раскроя учтен припуск на усушку по толщине доски как переменная величина по радиусу сечения бревна, что привело к повышению выхода при распиловке, в данной заявке учтена неодинаковая усушка пластей доски при различных расстояниях от оси бревна и бруса до ее наружной пласти, что позволяет составлять схемы раскроя бревен и брусьев на пиломатериалы, при последующей сушке которых полезный выход увеличивается за счет сокращения потерь сухих пиломатериалов из-за чрезмерного коробления, растрескивания, завышенных припусков на механическую обработку из-за разнотолщинности по ширине по причине поперечного коробления.
Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность способа раскроя бревен путем повышения качества выпиливаемых пиломатериалов за счет выполнения способа раскроя бревна, а также бруса с учетом возможных потерь качества выпиливаемых материалов при дальнейшей сушке. В итоге при использовании способа для раскроя бревен по изобретению увеличивается выход пиломатериалов высокого качества, которое сохраняется и после сушки.
Источники информации
1. Ю.Р.Бокшанин «Обработка и применение древесины лиственницы». - М.: Лесная промышленность, 1973, с.82-102.
2. В.Ф.Ветшева «Раскрой крупномерных бревен на пиломатериалы». - М.: Лесная промышленность, 1976.
3. RU №2038945, опубл. 1995 г. - прототип.