СПОСОБ СРАВНИТЕЛЬНОГО ИСПЫТАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
METHOD OF COMPARATIVE TIMBER TEST

Изобретение относится к лесной, деревообрабатывающей промышленности и может быть использовано при сертификации древесины на корню в условиях лесного хозяйства и лесозаготовок, а также при сертификации древесины круглых и пиленых древесных материалов в условиях переработки древесного сырья и механической обработки древесины.
Известен способ ультразвукового испытания технической древесины (см. книгу: Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. - М.: МГУЛ, 2001, с.131) на стандартных образцах 20×20×300 мм, включающий закрепление образца, включение ультразвукового прибора с датчиками по концам образца древесины, измерение времени прохождения ультразвука по длине образца древесины, определение показателя прочности и качества древесины.
Недостатком является несогласованность между собой технологий испытания стандартных образцов древесины на прочность и другие физико-механические показатели древесины. Поэтому приходится изготовлять стандартные образцы различных размеров, например, 20×20×30 мм на испытание по прочности на сжатие древесины и 20×20×300 мм на испытание на ультразвуковые показатели для отбора резонансной древесины, а также невозможности определения на этих образцах прочности древесины в растущем состоянии.
Известен также способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев с использованием кернов по патенту №2144185, включающий взятие керна, измерение его размерных и ультразвуковых параметров и уточнение их с учетом поправок на углы расположения керна относительно ствола растущего дерева.
Достоинством прототипа является то, что для определения ультразвуковых показателей не требуется изготовление стандартных образцов размерами 20×20×300 мм. Поэтому прототип позволяет извлекать керны из древесины любого состояния (растущее дерево, спиленное и поваленное дерево, хлыст, долготье, бревно, сортимент, кряж, чурак, брус или другой пиломатериал и пр.) в процессах механической обработки круглых и пиленых древесных материалов. Это дает практическую возможность отбора на разных технологических операциях не только резонансной древесины, но и другие виды ценных специальных сортиментов.
Недостатком является невозможность определения прочности древесины без изготовления стандартных образцов размерами 20×20×30 мм или прочности на изгиб на образцах размерами 20×20×300 мм, причем как в растущем состоянии, так и в дальнейших процессах первичной обработки и глубокой переработки заготовленной древесины на черновых и чистовых древесных заготовках. Этот недостаток не позволяет расширить функциональные возможности известного способа ультразвукового испытания древесины по прочности, а в будущем и по другим физико-механическим показателям древесины без изготовления стандартных образцов.
Технический результат - расширение функциональных возможностей способа введением сравнительных испытаний, хотя бы на одной технологической операции механической обработки древесины, между ультразвуковым испытанием на кернах и хотя бы одним стандартизированным способом испытания на стандартных образцах, например, на прочность древесины на образцах размерами 20×20×300 мм, затем определение значений переходного коэффициента от акустических показателей кернов, извлеченных из растущего дерева или круглых и пиленых лесоматериалов, находящихся в штабеле, к прочности древесины на стандартных образцах, изготовленных из этих же древесных заготовок, а затем применение полученных значений переходного коэффициента на весь объем партии древесины, заготовленной с одной лесосеки или лесного участка.
Этот технический результат достигается тем, что способ сравнительного испытания древесины, включающий взятие керна, измерение его размерных и ультразвуковых параметров и уточнение их с учетом поправок на углы расположения керна относительно ствола растущего дерева, отличающийся тем, что после взятия кернов изготовляют стандартные образцы, их измеряют ультразвуковым прибором, затем стандартные образцы испытывают на механические показатели древесины, а по результатам испытаний рассчитывают переходные коэффициенты между ультразвуковыми показателями кернов и стандартных образцов, а также переходные коэффициенты между ультразвуковыми показателями кернов и механическими показателями стандартных образцов.
Сравнительные испытания выполняют на малой части растущих деревьев, спиленных и поваленных деревьев, хлыстов, долготья, выпиливанием чурок длиной в пределах 350-500 мм из бессучковой части, а из бревен, сортиментов, кряжей, чураков, брусьев или другого пиломатериала отпиливают чурки указанной длины, причем из опытных чурок вначале извлекают хотя бы по одному радиальному керну, а затем из просверленных чурок изготовляют стандартные образцы для механических испытаний, которые должны быть ориентированы строго по осям анизотропии и не содержать пороки.
Сравнительные испытания проводят хотя бы на одной технологической операции механической обработки древесины, между ультразвуковым испытанием на кернах и хотя бы одним стандартизированным способом испытания на стандартных образцах, например, на прочность древесины на образцах размерами 20×20×300 мм, затем определение значений переходного коэффициента от акустических показателей кернов, извлеченных из растущего дерева, или круглых и пиленых лесоматериалов, находящихся в штабеле, к прочности древесины на стандартных образцах, изготовленных из этих же древесных заготовок, а затем полученные значения переходного коэффициента применяют на весь объем партии древесины, заготовленной с одной лесосеки или лесного участка.
Керны извлекать гораздо проще, поэтому для сертификации других партий древесины из одного и того же места произрастания лесных деревьев испытания древесины проводят только кернами.
Сущность заключается в том, что дополнительно в технологические процессы заготовки древесины различными видами круглых и пиленых лесоматериалов вводятся сравнительные испытания, хотя бы на одной технологической операции механической обработки древесины от исходного сырья до готовой продукции, между ультразвуковым испытанием на кернах и хотя бы одним стандартизированным способом испытания на стандартных образцах, например, на прочность древесины на образцах размерами 20x20x300 мм.
Сущность заключается также в том, что затем по результатам сравнительных испытаний определяют значения переходного коэффициента от акустических показателей кернов, извлеченных из растущего дерева, или круглых и пиленых лесоматериалов, находящихся в штабеле, к прочности древесины на стандартных образцах, изготовленных из этих же древесных заготовок, а затем применение полученных значений переходного коэффициента на весь объем партии древесины, заготовленной с одной лесосеки или лесного участка.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в совмещении на образцах, полученных из древесины одного и того же происхождения и условий произрастания, и даже (если не известного происхождение древесных заготовок) на одних и тех же круглых и пиленых лесоматериалах, методов ультразвукового и прочностного испытания древесины от растущего состояния (деревья в период спелости древостоя, в возрасте спелости здоровых и качественных деревьев) до стандартных образцов, которые ранее применялись в основном на предприятиях механической обработки древесины.
Сущность заключается также и в том, что при известности предыстории партии круглых или пиленых лесоматериалов появляется практическая возможность экологической оценки лесосеки или лесного участка по результатам сравнительных испытаний древесины. Если же предыстория партии древесины неизвестна, то результаты сравнительного испытания распространяются только на процессы последующего отбора и сертификации партии древесных заготовок для последующего целевого применения, что позволит повысить рентабельность деревообработки.
Положительный эффект достигается в технологическом рассмотрении от растущего дерева, отведенного в рубку, до конечных изделий из древесины в виде заготовок специального назначения. На всех этапах от растущего дерева, заготовки сортиментов, черновых заготовок, превращения их в детали конструкций применим ультразвуковой метод на кернах и метод на стандартных образцах на малой части партии древесины.
По мере технического освоения предлагаемого способа накапливается статистический материал (переходные коэффициенты). Поэтому наступит на лесозаготовительном предприятии такой момент, когда по ультразвуковым измерениям кернов растущих деревьев можно будет рассчитать прочностные показатели без всей технологии изготовления стандартных образцов. Тем самым древесиноведение переместится от деревообрабатывающих предприятий непосредственно к лесозаготовительным предприятиям и лесным хозяйствам. В этом случае появится реальное управление лесами и целевым выращиванием лесных деревьев по долгосрочным заказам деревообработчиков.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет в дальнейшем отказаться от стандартных образцов и черновых заготовок и перейти на мониторинг древесины в растущем состоянии и при лесозаготовках. В этом случае появляется возможность оперативной сертификации древесины на корню, быстрое выявление ее качества и эффективного выхода наиболее ценных сортиментов. Полученная таким образом сертифицированная древесина будет распределяться потребителям по паспортизированным данным, а не «вслепую», как это принято ныне. Это принесет лесозаготовителям существенный экономический эффект, так как сертифицированная древесина будет продаваться исходя из соответствующих свойств партии хлыстов, бревен, пиломатериалов, черновых и даже чистовых заготовок.
В связи с этим предлагаемый способ обладает новизной, положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну данного изобретения, не обнаружено.
На фиг.1 приведена схема расположения керна и, например, черновой заготовки древесины на отрезке посередине сечения ствола дерева; на фиг.2 - схема расположения керна в самой черновой заготовке; на фиг.3 - схема разделки черновой заготовки длиной 500 мм на стандартные образцы длиной 300 мм для испытания древесины на изгиб.
Способ испытания древесины, например, при сравнительных испытаниях на лесном участке раскряжеванных стволов деревьев включает следующие действия.
На лесосеке или участке леса выбирается модельное дерево, из которого вдоль радиуса сечения ствола 1 извлекается керн 2. После взятия у каждого керна измеряются геометрические и размерные параметры.
Затем каждый керн помещают в пробирку и отправляют в лабораторию.
В лабораторных условиях определяют у каждого керна значения свойств древесины с учетом поправок на углы. Из модельного дерева на участке ствола с керном изготавливают чурку, которую в лаборатории на специальных станках распиливают на черновую заготовку 3 на стандартные образцы 4 для испытаний на прочность. В качестве изучаемых и уточняемых свойств древесины принимают прочность и акустические показатели. При этом керн разделывается на отрезки 5. После чего выявляют переходный коэффициент от акустических показателей керна к механическим показателям стандартных образцов и черновых заготовок.
Стандартные образцы измеряют, как и отрезки кернов, ультразвуковым прибором, затем стандартные образцы испытывают на механические показатели древесины, а по результатам испытаний рассчитывают переходные коэффициенты между ультразвуковыми показателями кернов и стандартных образцов, а также переходные коэффициенты между ультразвуковыми показателями кернов и механическими показателями стандартных образцов.
Сравнительные испытания выполняют на малой части растущих деревьев, спиленных и поваленных деревьев, хлыстов, долготья, выпиливанием чурок длиной в пределах 350-500 мм из бессучковой части, а из бревен, сортиментов, кряжей, чураков, брусьев или другого пиломатериала отпиливают чурки указанной длины, причем из опытных чурок вначале извлекают хотя бы по одному радиальному керну, а затем из просверленных чурок изготовляют стандартные образцы для механических испытаний, которые должны быть ориентированы строго по осям анизотропии и не содержать пороки.
Керны извлекать гораздо проще, поэтому для сертификации других партий древесины из одного и того же места произрастания лесных деревьев испытания древесины проводят только кернами.
Способ испытания древесины, например, при сравнительных испытаниях на черновой заготовке древесины включает в себя следующие действия.
Сравнительные испытания проводят хотя бы на одной технологической операции механической обработки древесины, между ультразвуковым испытанием на кернах и хотя бы одним стандартизированным способом испытания на стандартных образцах, например, на прочность древесины на образцах размерами 20×20×300 мм, затем определение значений переходного коэффициента от акустических показателей кернов, извлеченных из растущего дерева или круглых и пиленых лесоматериалов, находящихся в штабеле, к прочности древесины на стандартных образцах, изготовленных из этих же древесных заготовок, а затем полученные значения переходного коэффициента применяют на весь объем партии древесины, заготовленной с одной лесосеки или лесного участка.
Для определения акустических показателей вдоль диаметра ствола 1 дерева или круглого лесоматериала используются отрезки керна 2. Для определения переходного коэффициента от акустических показателей керна к прочности стандартных образцов 4 от черновой заготовки 3 черновую заготовку распиливают и затем строгают на стандартные образцы размером 20×20×300 мм и 20×20×30 мм, а керны - на отрезки длиной 20 мм. Готовые стандартные образцы и отрезки кернов подвергают ультразвуковым испытаниям, например, по прототипу. После этого образцы 20×20×300 мм могут быть испытаны по стандартной методике на изгиб.
Затем акустические показатели отрезков и самих кернов сопоставляются с акустическими и прочностными показателями стандартных образцов и вычисляются переходные коэффициенты.
Для сравнения показателей древесины кернов и черновых заготовок в целом необходимо учесть влияние всех факторов: длины образцов, анизотропию, пороки древесины.
Длина волны для черновых заготовок при изменении длины от 1500 до 300 мм меняется в пределах 9,8…7,1 мм, и она больше поперечного сечения образца. Длина образца намного превышает длину волны. При этих условиях акустические показатели черновой заготовки изменяются незначительно, поэтому извлечение кернов из ствола для сопоставления возможно как через 300 мм, так и через 1500 мм, то есть на участках ствола между ветвями и сучьями.
Влияние пороков древесины (сучков, осмоленности, трещи) на акустические показатели значительное, поэтому при проведении экспериментов необходимо исключать образцы древесины кернов и стандартных с пороками.
Пример.
Из ствола здорового модельного дерева между мутовками сучьев вдоль радиуса сечения ствола извлекается керн. После взятия у каждого керна в лабораторных условиях измеряются геометрические и размерные параметры.
В лабораторных условиях определяют у каждого керна плотность, скорость ультразвука, акустическая константа и акустическое сопротивление с учетом поправок на углы. Из модельного дерева на участке ствола с керном изготавливается чурка, которую на специальных станках распиливают на черновую заготовку. Черновая заготовка распиливается на стандартные образцы размером 20×20×300 мм для испытаний на прочность. Стандартные образцы озвучиваются ультразвуковым прибором. В качестве изучаемых и уточняемых свойств древесины принимают прочность и акустические показатели. При этом керн разделывается на отрезки. После чего выявляют переходный коэффициент от акустических показателей керна к механическим показателям стандартных образцов и черновых заготовок.
Стандартные образцы измеряют, как и отрезки кернов, ультразвуковым прибором, затем стандартные образцы испытывают на механические показатели древесины, а по результатам испытаний рассчитывают переходные коэффициенты между ультразвуковыми показателями кернов и стандартных образцов, а также переходные коэффициенты между ультразвуковыми показателями кернов и механическими показателями стандартных образцов.
4
4
Например, значение акустической константы кернов качественной резонансной древесины составляет 4,0 м/(кг-с), а акустическая константа древесины стандартных образцов при озвучивании ультразвуковым прибором вдоль волокон составляет 12 м/(кг-с). Тогда переходный коэффициент между акустической константой кернов и стандартных образцов составляет 3,1.
Отсюда испытания древесины ели в растущем состоянии на кернах (см. кн.: Колесникова А.А. Исследование свойств древесины по кернам. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002. - 178 с.), включающий ультразвуковые измерения по длине керна и по длине стандартного образца, определение переходного коэффициента от акустических показателей кернов к стандартным образцам.
Испытав стандартные образцы на прочность, можно определить переходный коэффициент от акустической константы отрезков кернов к прочности стандартных образцов.
Замеры ультразвуковых показателей древесины при испытании совместно с определением прочности для нахождения переходных уравнений необходимо проводить на образцах без наличия пороков, ориентированных строго по осям анизотропии, либо учитывать угол наклона волокон в продольно-радиальной и радиально-тангенциальных плоскостях анизотропии древесины.
Изготовление стандартных образцов очень трудоемко, поэтому сравнительные испытания на малом количестве древесных заготовок (растущее дерево, спиленное и поваленное дерево, хлыст, долготье, бревно, сортимент, кряж, чурак, брус или другой пиломатериал и пр.) позволяет сертифицировать всю партию древесины на одном или даже нескольких лесосеках или лесных участках.