Сравнительный анализ способов определения плотности древесины с помощью рентгеновского излучения и устройства для измерения сопротивления сверлению

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

снимаемого припуска, на что требуется подвод большей энергии в единицу времени. Искривление снимаемого слоя древесины в процессе профильного фрезерования объясняется различными скоростями движения элементов стружки по передней поверхности режущего клина: в окрестности каждого из торцов диаметр фасонной фрезы максимальный, в поперечной плоскости симметрии - минимальный, что является причиной различный скоростей резания, а, следовательно, скоростей скольжения стружки по режущей пластине.

Проводили также профильное фрезерование сбежистых заготовок из сосны на скоростях подачи, превышающих 10 м/мин. Вследствие значительного увеличения припуска (на 25-30 мм в конце обработки периферийного сегмента) мощность и сила резания возрастали настолько, что происходил срез древесины в местах контакта зубьев приводных вальцов с установочной технологической базой заготовки. При дополнительном прижатии вальцов к заготовке срез древесины не происходил, но наблюдалась интенсивная вибрация технологической системы и резкое ухудшение качества обработанных поверхностей. Эти результаты подтвердили ранее выдвинутую гипотезу о том, что реализация высокопроизводительного профильного фрезерования отходов лесопиления требует решения вопроса, связанного с автоматическим регулированием мощности резания.

Таким образом, научные положения и гипотезы, сформулированные в теоретической части работы, получили полное экспериментальное подтверждение, а полученная научная информация может использоваться при проектировании оборудования и процесса профильного фрезерования крупных отходов лесопиления.

Библиографический список

1. Амалицкий, В.В. Деревообрабатывающие станки и инструменты: учебник / В.В. Амалицкий, В.В. Амалицкий. - М.: ИРПО, Издательский центр «Академия», 2002. - 400 с.

2. Любченко, В.И. Резание древесины и древесных материалов: учебник для вузов. 3-е изд. / В.И. Любченко. - М.: МГУЛ, 2004. - 310 с.

3. Глебов, И.Т. Резание древесины: учеб. пособие / И.Т. Глебов.- Екатеринбург: УГЛТУ, 2007.- 228 с.

4. Рыкунин, С.Н. Технология лесопильно-деревообрабатывающих производств: учеб. пос. / С.Н. Рыкунин, Ю.П. Тюкина, B.C. Шалаев - М.: МГУЛ, 2003. - 225 с.

5. Пижурин, А.А. Моделирование и оптимизация процессов деревообработки: учебник для вузов / А.А. Пижурин. - М.: МГУЛ, 2004. - 375 с.

6. Пат. № 95589 Российская Федерация, МПК В27С, 1/00. Станок для первичной обработки горбыля / Фомин А.А., Гусев В.Г.: заявл. 11. 03. 2010; опубл. 10. 07. 2010. Бюл. № 19.

7. Пат. № 2443547 Российская Федерация, МПК В27С, 1/00. Способ первичной обработки горбыля / Фомин А.А., Гусев В.Г.: заявл. 11. 03. 2010; опубл. 27. 02. 2012. Бюл. № 6.

8. Фомин, А.А. Оборудование и технология механической обработки отходов лесопиления : монография / А.А. Фомин - М.: Машиностроение, 2013. - 206 с.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

плотности древесины с помощью рентгеновского излучения и устройства для измерения сопротивления сверлению

Е.С. ШАРАПОВ, доц. каф. деревообрабатывающих производств Поволжского ГТУ, канд. техн. наук,

В.Ю. ЧЕРНОВ, асп каф. деревообрабатывающих производств Поволжского ГТУ

Древесина является одним из наиболее распространенных материалов, широко используемых в строительстве, мебельном и целлюлозно-бумажном производствах. Ос-

sharapov_evgeniy@mail.ru

новные преимущества древесины как материала: высокие прочностные характеристики, экологичность использования, устойчивость к воздействию окружающей среды, восста-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

89

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

навливаемость ресурсов. При этом применение древесины в качестве конструкционного материала обусловлено ее уникальными физико-механическими характеристиками.

Безусловно, плотность древесины является одним из основных физических показателей, характеризующих ее механические свойства и качество. Однако, как установлено многими исследователями, эта величина непостоянная и может изменяться в широких пределах, не только в рамках одной породы, но и в отдельно растущем дереве (лесоматериале), годичном кольце. Большое влияние на величину плотности древесины оказывают ширина годичного слоя, процентное содержание поздней древесины, влажность древесины, пороки (сучки, грибные поражения, трещины, биологические повреждения) и др. [1, 2].

Определение изменчивости плотности древесины, характеризующей ее качество, актуально для многих направлений науки и производства, таких как выявление внутренних пороков в растущих деревьях, дендрохронологические и климатологические исследования, установление случаев незаконных рубок леса, определение товарности лесосырьевой базы, прочностных и качественных характеристик пилопродукции и изделий из древесины, а также экспертиза деревянных строительных конструкций различного назначения (сваи, столбы, стены, перекрытия, балки, дамбы, мосты и т.д.).

Сегодня существует множество способов определения плотности древесины [1]. Безусловно, наиболее перспективными являются неразрушающие способы определения плотности без нарушения целостности и функционирования исследуемого объекта, что наиболее актуально для растущих деревьев и деревянных строительных конструкций. Такие современные направления денситометрии древесины, как определение проникающей способности Р-, у- и рентгеновского излучений, хотя и позволяют определить внутрикольцевую изменчивость плотности, но в сочетании с томографией характеризуются стационарностью, высокой стоимостью оборудования и исследований, длительностью измерений. Ультразвуковые устройства и методики позво-

ляют повысить мобильность, однако в группе со многими другими методами они не представляют значений изменения внутрикольцевой плотности с высокой разрешающей способностью. Данные методы дают лишь общую картину изменения свойств либо единичное (среднее) значение величины плотности по направлению прохождения ультразвука (другого проникающего излучения) без точной оценки того, что находится «внутри».

Одним из современных методов определения свойств древесины, получившим развитие за рубежом в последние 20 лет, является метод измерения усилия сопротивления просверливанию древесины тонким буровым сверлом (Rinn 1996, 2008; Lear, Kasal and Anthony, 2010; Mattheck, C. and K. Betghe, 2010). На сегодняшний день исследователями и разработчиками устройств («Rinntech», «Instrument Mechanic Lab», Германия) представлены результаты, характеризующие метод измерения сопротивления сверлению как пригодный и достаточно точный для определения свойств древесины и прочностных характеристик деревянных конструкций (Gretchen, Bohumil and Ron, 2010; Rinn, 2008), определения внутренних гнилей в круглых лесоматериалах [15], определения изменения плотности древесины и плитных древесных материалов (Winnistorfer, Xu and Wimmer 1995). Часть работ посвящена анализу зависимости величины сопротивления сверлению (мощности на сверление) и плотности древесины, найденной с помощью радиационных методов [12]. Однако в данных работах усредненная величина усилия сопротивления просверливанию (мощности сверления) коррелировалась со средним значением плотности просверливаемых образцов, что, безусловно, снижает точность и, соответственно, ценность полученных результатов. При этом эксперименты проводились на образцах влажной древесины, без фиксирования фактической величины влажности, оказывающей непосредственное влияние как на сам процесс сверления, так и на величину плотности.

Целью исследований, результаты которых представлены в данной работе, являлось определение взаимодействия величины мощности микросверления и величины внут-

90

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

рикольцевой плотности древесины, определенной при использовании рентгеновского излучения на лабораторной установке DA-X фирмы «^геСоп».

Общий план экспериментальных исследований включал несколько этапов:

- изготовление исследуемых образцов с учетом направления волокон древесины, их последующее кондиционирование;

- измерение профиля плотности (профиля внутрикольцевой плотности) образцов на лабораторной рентгеновской установке DA-X (рис. 1);

- измерение величины мощности на микросверление образцов при использовании тонкого бурового сверла (рис. 2);

- обработка экспериментальных данных: определение величины мощности холостого хода и мощности, расходуемой на трение сверла о стенки отверстия; определение коэффициентов кросс-корреляции и лагов наиболее существенной взаимосвязи между рядами данных изменения внутрикольцевых мощности на микросверление и плотности; регрессионный анализ данных;

- модернизация программного обеспечения измерительного шлейфа устройства для измерения сопротивления сверлению.

Методология исследований. Для проведения исследований из общего числа образцов были отобраны по 10 шт. трех пород забо-лонной древесины малой и средней плотности (рис. 2): сосна (Punus sylvustris), бук (F6gus sylv6tica), ясень (Fr6xinus excUlsior) с размерами 50Ч20Ч50 мм (рис. 2). Осуществлялось кондиционирование образцов до нормализованной влажности в климатической камере Binder KBF-240. С целью максимально точного определения внутрикольцевой плотности изготавливались радиальные образцы с параллельным расположением годичных слоев.

Профиль плотности образцов (годовых колец) определялся на лабораторной установке DA-X фирмы «GreCon» на кафедре технологии деревообработки и древесных композиционных материалов, университет Георга-Августа, Германия (2011). С учетом точных геометрических характеристик профиль плотности определялся сразу на нескольких образцах с разрешением

в 50 значений на миллиметр. Проникновение рентгеновского излучения происходило по центральному сечению образца (поз. 2 на рис. 2) по годичным слоям. Использование радиальных образцов и их просвечивание поперек либо в торец волокон (в зависимости от варианта изготовления образцов) позволило наиболее точно определить вариацию плотности в ранних и поздних зонах годичных слоев. Результаты измерений отображались и сохранялись на ЭВМ. С целью исключения потерь влажности после кондиционирования образцы транспортировались в вакуумных упаковках.

Исследование процесса микросверления образцов осуществлялось на запатентованной авторами экспериментальной лабораторной установке [3, 4]. Установка состоит из устройства, основными элементами которого являются электродвигатель вращения тонкого сверла и мотор-редуктор механизма его подачи, а также измерительный шлейф [5-7]. Номинальная скорость вращения бурового сверла 4100±200 об./мин, номинальная скорость подачи - 420 мм/мин. Во время работы устройства данные о мощности на сверление поступают на ЭВМ. Для работы с данными разработана специальная программа в среде «LabVIEW», позволяющая принимать во внимание результаты экспериментальных исследований по тарировке и управлять данными. Одновременно с процессом сверления на ЭВМ происходит отображение графика изменения мощности, затрачиваемой на сверление в виде ряда данных, а также запись и сохранение данных в отдельный файл. Частота дискретизации сигналов - 1 кГц, что соответствует разрешению в 140 значений исследуемой величины на миллиметр (в соответствии с указанной выше скоростью подачи). В связи с этим, по нашему мнению (а также зарубежных исследователей [8-16]), процесс можно определить как «микросверление», ввиду частоты записи значений исследуемого параметра и размера получаемой при этом стружки. В схему управления сигналами для снижения неточности измерений, вызванной случайными выпадающими точками рядов данных, встроены фильтры скользящего среднего, рациональные параметры фильтров подобраны на основании отдельных серий опытов.

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2014

91

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Проведенные предварительные исследования с использованием лабораторной экспериментальной установки показали значительную связь между мощностью на сверление (сопротивлением сверлению) и изменением физических (механических) свойств древесины в зависимости от размеров годичных слоев, грибных поражений [7]. Хотя результаты измерений изменения мощности на сверление отображают реальное варьирование физико-механических свойств древесины с высокой разрешающей способностью, однако представление данных по величине плотности имеет большую ценность с научной и производственной точки зрения.

С целью повышения точности измерений при проведении исследований процесса микросверления лабораторная экспериментальная установка (рис. 1) и образцы (рис. 2) закреплялись неподвижно. Образцы просверливались точно по центру (поз. 3 на рис. 2) в плоскости прохождения рентгеновского излучения в радиальном направлении по ширине заготовки. Полученные данные в виде динамических рядов записывались в отдельные файлы.

Предварительные исследования процесса микросверления показали, что вначале на глубине сверления порядка 5-8 мм происходит закономерное плавное повышение мощности на сверление (если рассматривать общий тренд изменения мощности), связанное с «облегченным» выходом стружки из отверстия и увеличением сил трения концевика сверла о стенки отверстия. С учетом этого для получения более точных результатов перед исследуемым образцом вплотную устанавливался дополнительный образец - «прокладка» той же породы древесины толщиной около 20 мм. Тогда повышение общего тренда изменения мощности происходило во время сверления дополнительного образца, а при достижении сверлом исследуемого образца величина мощности достигала своего реального (действительного) значения. С целью определения мощности, затрачиваемой непосредственно на процесс микросверления, из данных вычитались значения мощности, расходуемой на холостой ход (вращение) сверла и мощности, затрачиваемой на трение хвостовика о стенки отверстия и стружку, при этом пред-

полагалось, что увеличение величины мощности на трение сверла происходит по линейному закону (рис. 3). Преобразования рядов данных осуществлялись в программных пакетах «MS Ехсе1» и «Statistica 8.0».

Сопоставление данных, полученных на рентгеновской установке и устройстве для измерения сопротивления сверлению, реализовывалось при помощи программного пакета «Statistica 8.0». При первоначальном сравнении рядов данных обнаружилось незначительное смещение их относительно друг друга. В связи с этим определялись коэффициенты кросс-корреляции как самих рядов данных по образцам, так и данных по годичным кольцам, отобранных для дальнейшего регрессионного анализа. На основании коэффициентов кросс-корреляций определялись лаги наиболее существенной взаимосвязи между рядами данных изменения внутрикольцевых мощности и плотности. После этого осуществлялись их смещение и построение совмещенных графиков рядов данных для всего образца и отдельно в пределах одного годичного слоя (рис. 4).

Профили изменения величин мощности на микросверление и плотности древесины, полученные на рентгеновской установке, в целом совпадали, однако существовали участки, где их значения расходились без потерь общих трендов (минимумов, максимумов) изменений величин. На наш взгляд, это связано с тем, что при исследовании плотности древесины рентгеновское излучение проникало по всей толщине образца и, следовательно, определялась усредненная мощность по толщине, в то время как буровое сверло проходило по центру исследуемых образцов. Поэтому было принято решение при проведении регрессионного анализа использовать данные лишь по годичным слоям образцов. Регрессионный анализ производился в программной среде «TableCurve». С целью упрощения использования результатов и общего характера зависимостей данных для описания изменения величин плотности и мощности, затрачиваемой на микросверление, применялась линейная функция с одной переменной вида y = a + bx, где x - мощность на сверление

92

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 1. Лабораторная установка DA-X для контроля объемной плотности древесины и древесных материалов, каф. технологии деревообработки и древесных композиционных материалов, университет Георга-Августа, Германия

Рис. 2. Исследуемые радиальные образцы с «максимально параллельным» расположением годичных слоев, слева направо: сосна

Рис. 3. График изменения величины мощности при сверлении образца сосны (Punus sylvustris) (слева направо). Диапазон отличий величин мощности холостого хода до (зеленая область) и после просверливания (красная область) составляет около - 1-1,5 Вт; для образцов ясеня и бука порядка - 2,5-3,5 Вт

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

93

Рис. 4. Торцовый срез одного из образцов сосны

Рис. 5. Взаимодействие данных по плотности древесины и мощности на микросверление по одному годичному кольцу всех образцов ясеня (Fr6xinus exculsior) (слева) и бука (F6gus sylv6tica) (справа); синим цветом обозначены данные в пределах 1 стандартного отклонения (SD), зеленым - 2 SD, красным - 3 и более SD

Коэффициенты (статистики) Ясень Бук Сосна

а значение 318,5877 401,3375 40,68919

станд. ошибка 3,335694 3,241480 2,721480

t-критерий 95,50868 123,8130 14,95113

P>|t| 0,00000 0,00000 0,00000

ь значение 14,65163 12,28046 56,46956

станд. ошибка 0,135846 0,125710 0,339845

t-критерий 107,8551 97,68856 166,1629

P>|t| 0,00000 0,00000 0,00000

Г2 0,6604351 0,6270053 0,7809147

Скорректнр. 0,6603215 0,6268739 0,7808581

Станд. ошибка оценки регрессии 59,448081 38,863645 63,297592

F-крнтернн 11632,714 9543,0544 27610,091

Рис. 6. Взаимодействие данных по плотности древесины и мощности на микросверление по одному годичному кольцу всех образцов сосны

94

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

(W = 12 %), Вт; у - плотность древесины, р12 кг/м3. Результаты исследований представлены на рис.5, 6. Коэффициенты функций а и b для всех пород, а также основные статистики приведены в таблице на рис. 6.

С использованием полученных результатов было модернизировано программное обеспечение управления данными измерительного шлейфа устройства для измерения сопротивления сверлению с целью вывода данных по величине плотности (р12).

Проведены сравнительные исследования методик определения плотности древесины с применением рентгеновского излучения и устройства для измерения сопротивления сверлению; выявлены взаимосвязи величин мощности при микросверлении древесины (W = 12%) и плотности древесины (р12) при использовании рентгеновского излучения по трем породам: сосна (Punus sylvustris), бук (F6gus sylv6tica), ясень (Fr6xinus exculsior). Определение свойств (плотности) древесины с помощью устройства для измерения сопротивления сверлению дает не меньшую точность по сравнению с высокоточным устройством, использующим рентгеновское излучение.

Снижение квадрата коэффициента корреляции при описании взаимодействия исследуемых величин по образцам древесины ясеня и бука, на наш взгляд, связано с различием в процессах стружкообразования. При микросверлении сосны стружка имеет более крупные фракции и, возможно, это способствует ее лучшему перемещению и прессованию в отверстии. Напротив, у ясеня и бука стружка имеет мелкую, порошкообразную фракцию, которая уплотняется в отверстии, тем самым увеличивая силы трения. Дальнейшие исследования в обозначенном направлении будут осуществляться путем использования других пород древесины, а также путем выявления влияния величины влажности древесины на процесс микросверления.

Библиографический список

1. Полубояринов, О.И. Плотность древесины / О.И. Полубояринов. - М.: Лесная пром-сть, 1976. - 160 с.

2. Уголев, Б.И. Древесиноведение с основами лесного товароведения / Б.И. Уголев. - М.: Лесная пром-сть, 2001. - 368 с.

3. Устройство для измерения сопротивления сверлению : пат. 95128 Рос. Федерация: МПК 6 G01 N3/40 / Шарапов Е.С., Чернов В.Ю., Бычкова Т.В. № 2010106686/22 ; заявл. 24.02.2010 ; опубл. 10.06.2010.

4. Устройство для измерения сопротивления сверлению : пат. 2448811 Рос. Федерация: МПК 6 В23В 25/06 / Шарапов Е.С., Чернов В.Ю., Чернов Ю.В. № 2010145313/28 ; заявл. 08.11.2010 ; опубл. 27.04.2012.

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

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

7. Шарапов, Е.С. Результаты экспериментальных исследований свойств древесины круглых лесоматериалов по радиусу ствола / Е.С. Шарапов, А.С.Торопов, В.Ю. Чернов // Вестник МГУЛ -Лесной вестник. - № 2. - 2012. - С. 162-167.

8. Gretchen, L. In situ assessment of structural timber / L. Gretchen, К. Bohumil, А. Ron // State of the Art Report of the RILEM Technical Committee 215-AST. 2010. P. 51-57.

9. Kasal, B. In situ assessment of structural timber / В. Kasal, T. Tannert // RILEM Technical Committee 215-AST. 2010. P. 1-114.

10. Mattheck, C. VTA - Visual tree defect assessment / С. Mattheck, К. Betghe // Proc. 9th Int. Mett. Nondestructive testing, Madison, September 1993.

11. Rinn, F. Resistographic visualization of tree-ring density variations / F. Rinn // Tree Rings, Environment and Humanity, Radiocarbon. 1996. P. 871-878.

12. Rinn, F. Resistograph and X-ray density charts of wood comparative evaluation of drill resistance profiles and X-ray density charts of different wood species / F. Rinn, F.-H. Schweingruber, E. Schnr // Walter de Gruyter Berlin-New York. 1996. P. 303-311.

13. Rinn, F. Ein neues verfahren zur direkten messing der holzdichte bei Laub- und Nadelhnlzern / F. Rinn, B. Becker, B. Kromer // Dendrochronologia №7, 1990. P. 159-168.

14. Rinn, F. Erfassung und documentation des zustands h^zei^r konstruktionen / F. Rinn // Erfahrungsber-iccht aus 20 Jahren Anwendungspraxis. Heidelberg. 2008, 17 p.

15. Wang, X. Nondestructive evaluation of incipient decay in hardwood logs / X. Wang, J. Wiedenbeck, R.J. Ross et al. //. Gen. Tech. Rep. FPL-GTR-162. Madison, WI: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory. 2005, 11p.

16. Winistorfer, P.M. Application of a drill resistance technique for density profile measurement in wood composite panels / P.M. Winistorfer, W. Xu, R. Wimmer // Forest Products Journal №45(6). 1995. P. 90-93.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014

95