Результаты экспериментальных исследований свойств древесины круглых лесоматериалов по радиусу ствола

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

образцами снизилась на 9,5-36,5 %. Это снижение объясняется разложением гемицеллюлоз, обладающих наибольшей сорбционной способностью [1, 7]. Максимальное снижение наблюдается при температуре 200 °С и продолжительности обработки 6 часов. Скорость изменения равновесной влажности у термически обработанных образцов уменьшается. Результаты работы следует использовать для разработки промышленных режимов термической модификаци древесины бука, применяемой для эксплуатации во влажной среде (фасады домов, окна, двери, террасы, сауны и т.п.).

Библиографический список

1. Уголев, Б.Н. Древесиноведение и лесное товароведение. 5-е издание переизд. и дополн / Б.Н. Уголев. - М.: МГУЛ, 2007. - 352 с.

2. Babicki, R., Grzeczynski, T. , Wiyblewska, H. Effect of hydro-thermal treatment of green beech wood on its chemical and physico-mechanical properties// Wood Science and Technology.- 1977. - Vol. 11, N 2.-P. 125-131.

3. Bekhta, P., Niemz, P. Effect of High Temperature on the Change in Color, Dimensional Stability and Mechanical Properties of Spruce Wood// Holzforschung. - 2003. - Vol. 57, N 5.- P. 539-546.

4. Gunduz, G., Aydemir, D., Karakas, G. The effects of thermal treatment on the mechanical properties of wild Pear (Pyrus elaeagnifolia Pall.) wood and changes in physical properties// Materials and Design. - 2009. - Vol. 30. - P. 4391-4395.

5. Hofmann, T., Retfalvi, T., Albert, L., Niemz, P. Investigation of the chemical changes in the structure of wood thermally modified within a nitrogen atmosphere autoclave// Wood Research. - 2008. - Vol. 53(3).- P. 85 - 98.

6. Majka, J., Weres, J., Olek, W. Aliteration of wood hygroscopic properties after thermal modification// Wood Sturcture and Properties , 10, edited by J. Ku-dela & R. Lagana, 2010, Arbora Publishers, Zvolen, Stovakia, pp. 117 - 121.

7. Skyba, O., Niemz, P., Schwarze, F. W. M. R. Resistance of thermo - hygro - mechanically (THM) densified wood to degradation by white rot fungy// Holzforschung. - 2009. - Vol. 63.- P. 639-646.

8. Tajvidi, M., Mirzaei, B. Effects of temperature on the mechanical properties of beech (Fagus orientalis Lipsky) and lime (Tilia begonifolia) wood// Wood Material Science and Engineering. - 2009. -Vol. 4, Issue 3-4.- P. 147-153.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СВОЙСТВ

древесины круглых лесоматериалов по радиусу ствола

Е.С. ШАРАПОВ, доц. каф. деревообрабатывающих производствМарГТУ, канд. техн. наук,

A. С. ТОРОПОВ, проф. каф. деревообрабатывающих производств МарГТУ, д-р. техн. наук,

B. Ю. ЧЕРНОВ, магистрант каф. деревообрабатывающих производств МарГТУ

sharapov_evgeniy@mail.ru; chernov.vas7936@yandex.ru

Определение свойств древесины и древесных материалов является актуальным для многих направлений науки и отраслей производства. Работами в этой области занимались многие отечественные [1-4] и зарубежные ученые, накоплен огромный объем результатов теоретических и экспериментальных исследований. Однако развитие теоретической мысли, а также механики, микропроцессорной техники, создание новых программных продуктов раскрывают перед исследователями новые горизонты.

На современном этапе развития науки и техники в области древесиноведения с целью наиболее точного определения внутреннего состояния растущих деревьев и деревянных

конструкций различного назначения разработаны устройства, отличающиеся высокой мобильностью и скоростью работы. В основу этих устройств заложен принцип измерения величины сопротивления резанию, возникающему при просверливании исследуемого материала тонким буровым сверлом, диаметр которого не превышает 3 мм [6-9]. Лидирующие мировые позиции в этом направлении занимают фирмы «Rinntech» и «Instrument Mechanic Lab», Германия. Устройства имеют сходные конструкции, основными элементами которых являются электродвигатель постоянного тока, вращающий буровое сверло, и автоматический механизм подачи режущего инструмента. При использовании данных устройств фикси-

162

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

руются силовые параметры процесса сверления, характеризующие физико-механические свойства древесины. Автоматически производится обработка и сохранение данных как на ЭВМ, так и на бумажном носителе.

Полученные нами результаты морфологических исследований конструкций и принципов действий устройств для определения свойств древесины и древесных материалов механическим воздействием легли в основу проектирования новых механизмов. Преимущества над аналогами позволяют добиться повышения точности измерений, эксплуатационных характеристик, управляемости хода эксперимента, его наглядности. На сегодняшний день получен патент [5] на новую конструкцию устройства для исследования свойств древесины сверлением, подано несколько заявок на изобретения. Результаты проведенных нами патентных исследований, теоретических изысканий процесса сверления древесины, программирования в среде «LabVIEW», а также опытно-конструкторские разработки использованы при изготовлении лабораторной экспериментальной установки и измерительного шлейфа для определения свойств древесины и древесных материалов в условиях процесса сверления.

Целью исследований является разработка методики сбора данных и определение изменения свойств древесины круглых лесоматериалов по радиусу ствола в условиях процесса сверления.

Основными элементами лабораторной экспериментальной установки являются электрические приводы постоянного тока на резание и подачу, механизм подачи в виде резьбового вала, ограничители смещения бурового сверла при его вибрации, измерительный шлейф с использованием датчиков тока на эффекте Холла, универсального устройства источника напряжения (блока питания) и устройства сбора данных (УСД) «National Instruments» USB-6008. УСД служит для преобразования сигналов, поступающих с датчиков тока и напряжения питания электрических приводов, передачи данных на ПК, где с помощью разработанной блок-диаграммы (рис. 1) в среде «LabVIEW» осуществляется

управление экспериментом, запись данных, графическое отображение и хранение результатов исследований.

При разработке блок-диаграммы в среде «LabVIEW» использованы экспресс-виртуальные приборы (ВП), обеспечивающие удобный и понятный режим управления данными, поступающими с датчиков тока и универсального устройства источника напряжения. На рис.1 изображен виртуальный прибор определения мощности, потребляемой обоими приводами вращения и подачи сверла в процессе сверления, хранения и отображения данных, сигнализации нежелательных режимов работы лабораторной установки.

В соответствии с техническими характеристиками УСД USB-6008 частота дискретизации аналоговых сигналов может варьироваться от 10 Гц до 10 кГц и может изменяться непосредственно на блок-диаграмме виртуального прибора (ВП) (рис.1).

Разработанная блок-диаграмма посредством включения в схему необходимых экспресс-ВП осуществляет: фильтрацию

цифровых сигналов, поступающих с УСД по току и напряжению питания приводов устройства с помощью экспресс-ВП «Filter» (использовался фильтр скользящего среднего). Математические преобразования проводились с помощью экспресс-ВП «Formula». Предварительно с помощью цифрового мультиметра UT-60G, через порт RS-232C выполнялись серии опытов по тарировке датчиков тока и определения фактических величин напряжений питания электрических приводов, холостых ходов приводов. Возможно использование ВП «Sample Compression» для уменьшения количества выборок входного сигнала в целое число раз.

Лицевая панель виртуального прибора состоит их шести цифровых осциллографов, элементов управления и индикации. В процессе сверления (исследования свойств) круглых лесоматериалов по радиусу ствола на цифровых осциллографах отображались и сохранялись данные величин напряжения, тока и мощностей приводов вращения сверла и его подачи. По желанию, автоматически осциллограммами других цветов отобража-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

163

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

лись «сжатые» сигналы. На рис. 2 показана лицевая панель ВП, включающая цифровые осциллографы мощностей на сверление и подачу бурового сверла, элементов управления записью и компрессией данных. Представлено изменение мощностей, потребляемых приводами подачи и вращения бурового сверла в процессе сверления оцилиндрованного соснового бревна, диаметром 235 мм, средней влажностью 11,5 % (серия опытов 1, опыт 1).

В процессе проведения экспериментальных исследований были использованы: экспериментальная лабораторная установка для исследования свойств древесины и древесных материалов [5]; измерительный шлейф на основе УСД «National Instruments» USB-6008 и датчиков тока «Honeywell»; электровлагомер «Gann, Hydromette HT85T», цифровой мультиметр UT-60G; бензомоторная пила «Stihl 250MS»; электронный штангенциркуль «Matrix»; ЭВМ с установленным лицензированным программным комплексом «LabVIEW».

Проведены экспериментальные исследования свойств древесины круглых лесоматериалов по радиусу ствола в условиях процесса сверления. В качестве исследуемых образцов использованы: сосновое оцилинд-рованное бревно (сосна обыкновенная, Pirns sylvestris) D=235 мм, Wср=П,5 %; бревно ели с ядровой комлевой гнилью (ель европейская, Picea abies) D=310-340 мм, Wср=47,6 %; бревно осины с ядровой стволовой гнилью (осина обыкновенная, Pypulus trumula) D=265 мм, Wср=72,9 %; сосновое бревно с ситовой ядровой гнилью (сосна обыкновенная, Pinus sylvestris) D=210 мм, Wср=52,9 %. Сверление осуществлялось тонким буровым сверлом с диаметром режущей части 3 мм, диаметром хвостовика 1,5 мм в строго радиальном направлении. На каждом исследуемом лесоматериале осуществлялось по 9-15 замеров с шагом 50 мм по длине ствола. Скорость подачи сверла 0,6 м/мин, номинальная мощность привода вращения сверла 90 Вт, номинальная скорость вращения бурового сверла 4100 об./мин.

В ходе эксперимента анализировались данные более 50 опытов на четырех исходных лесоматериалах. Методика проведения экспе-

риментальных исследований заключалась в следующем: первоначально по десяти замерам определялась влажность исследуемого материала, осуществлялась разметка зон сверления. После включения экспериментальной лабораторной установки (привода вращения бурового сверла) осуществляется запуск виртуального прибора на ЭВМ, при этом в режиме реального времени на виртуальных осциллографах отображаются данные изменения электрических параметров обоих приводов устройства. Вслед за включением контроллеров записи расчетных значений мощности на сверление производится включение электрического привода подачи устройства. Осуществляется процесс сверления лесоматериала в радиальном направлении на всю величину диаметра. После выхода сверла с противоположной стороны лесоматериала останавливалась работа виртуального прибора в среде «LabVIEW». Обратная подача сверла происходила в автоматическом режиме при его вращении без записи данных. Результаты каждого опыта для удобства обработки сохранялись в файле совместимом с «MS Excel», диаграммы изменения электрических параметров работы приводов устройства в условиях процесса сверления сохранялись в цветном (рис. 2) и черно-белом вариантах (рис. 4-6).

В местах просверливания осуществлялся поперечный раскрой лесоматериалов, при этом повторно замерялись влажность и диаметр образца (длина просверленного отверстия). Для выявления структуры древесины в местах просверливания торцевые поверхности лесоматериалов шлифовались. На рис. 3-6 представлены выборочные диаграммы изменения мощности в условиях процесса сверления круглых лесоматериалов по радиусу ствола. Диаграммы приложены на торцевые срезы лесоматериалов в местах прохождения сверла. Изменение мощности в процессе сверления соответствует изменению структуры, физико-механических свойств древесины.

При сверлении оцилиндрованного лесоматериала сосны (рис. 3) наблюдается четкое изменение величины мощности при прохождении сверлом поздних и ранних зон годичных колец. Линия прохождения сверла в древеси-

164

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 1. Блок-диаграмма виртуального прибора определения свойств древесины и древесных материалов в условиях процесса сверления

Рис. 2. Лицевая панель виртуального прибора для исследования процесса сверления древесины и древесных материалов

не на рисунках показана красной линией. При достижении сверлом сердцевины наблюдается снижение мощности и соответственно физико-механических свойств материала. На всей

серии опытов прослеживается незначительное снижение мощности на сверление (физико-механических свойств древесины) в центральной зоне лесоматериала.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

165

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 3. Диаграмма изменения мощности сверления по диаметру лесоматериала (сосна оцилинд-

рованная, Wср=П,5 %, D=235 мм)

Рис. 4. Диаграмма изменения мощности сверления по диаметру лесоматериала

Рис. 5. Диаграмма изменения мощности на сверление по диаметру лесоматериала

Рис. 6. Диаграмма изменения мощности на сверление по диаметру лесоматериала

166

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

На рис. 4 представлен один из опытов сверления осины, пораженной ядровой стволовой гнилью. Амплитуда колебаний мощности на поздних и ранних участках годичных колец не так выражена, как при сверлении древесины сосны. В начале процесса сверления заметен участок коры лесоматериала, имеющий относительно однородную структуру. Резким снижением потребляемой мощности на сверление характеризуется участок, пораженный гнилью.

Аналогичным образом на диаграмме отражается ядровая гниль ели (рис.5). При этом с левой стороны (в начале процесса сверления) наблюдается резкий спад усилия резания, вызванный пустотой, образованной в результате разрушения древесины.

На основании экспериментальных исследований свойств древесины круглых лесоматериалов по радиусу ствола сформулированы основные выводы.

Использование разработанной экспериментальной лабораторной установки и измерительного шлейфа на основе УСД «NI USB6008» позволяет наглядно и с высокой точностью определять энергосиловые параметры процесса сверления древесины круглых лесоматериалов по радиусу ствола.

Безусловно, скачкообразное изменение величины мощности на сверление от 30 до 55 Вт соответствует варьированию физико-механических свойств исследуемого материала. Структура древесины является неоднородной, наблюдаются разница в величине мощности на сверление ранних и поздних зон до 8 Вт, что составляет более 35 % от общей мощности на сверление. Следует также отметить наличие как максимальных, так и минимальных пиковых значений на каждом из участков зон годичных колец. Опыты на сосне показывают незначительное изменение величины мощности (свойств древесины) в сторону уменьшения к центральным зонам лесоматериала.

При смещении отверстий сверления по длине лесоматериалов наблюдаются участки с одинаковыми физико-механическими свойствами древесины, что прослеживается у всех исследуемых лесоматериалов.

Величина мощности холостого хода привода резания до процесса сверления составляет около 22 Вт, после выхода сверла с противоположной стороны лесоматериала 2430 Вт, что связано, на наш взгляд, с трением поверхности концевика сверла о стенки отверстия и стружку и зависит от породы, влажности, направления волокон древесины и геометрических параметров режущего инструмента.

При сверлении древесины осины с ядровой гнилью наблюдается резкое падение потребляемой мощности привода резания примерно на 70 %, что связано со снижением механических свойств пораженной древесины.

Величины напряжений питания приводов изменяются пропорционально изменению величины потребляемых токов, что делает возможным определение свойств древесины и древесных материалов по данному параметру или по величине тока, потребляемого приводом.

Величина мощности на подачу также изменяется скачкообразно, что может быть связано с конструктивными особенностями лабораторной экспериментальной установки (привод осуществляется по резьбовому валу), а также изменением усилия резания и подачи при прохождении сверлом поздних и ранних зон годичных колец. Однако в рамках одного просверливания мощность на подачу варьируется незначительно и трудно прослеживается ее изменение по радиусу лесоматериала. На общем фоне данных величина мощности на подачу изменяется в пределах от 15 Вт до 40 Вт, что связано с породой древесины, влажностью, направлением волокон, а также силами трения, возникающими в механизме привода подачи.

Наблюдается отличие теоретических и экспериментальных данных мощности на сверление более чем в 2 раза (расчеты осуществлялись по методике проф. А.Л. Бершадского и по «объемной» формуле мощности резания), что связано, на наш взгляд, с фактическим значением и граничными условиями методик расчетов по диаметру сверления.

Проведение экспериментальных исследований выявило недостатки разработанной лабораторной экспериментальной уста-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

167