УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ РЕЗОНАНСНЫХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ НА КОРНЮ
DEVICE FOR PROXIMATE DIAGNOSTICS OF STANDING WOOD RESONANCE PROPERTIES

Изобретение относится к области диагностики физико-механических свойств древесины на корню и может быть использовано в неразрушающем отборе деревьев и/или в плантационном их довыращивании с целью получения качественного материала с прогнозируемыми техническими характеристиками для изготовления музыкальных инструментов, а также других спецсортиментов из древесины в машиностроении, авиационной и судостроительной промышленностях.
дин
Резонансная древесина характеризуется акустической константой излучения звука - К, которая является комплексным показателем и определяется из следующего соотношения динамического модуля E и плотности материала ρ:
Для определения плотности разработан способ, утвержденный по ГОСТ 16483.1 «Древесина. Метод определения плотности».
Недостаток способа заключается в том, что он предусматривает рубку дерева, изготовление стандартных образцов в виде прямоугольного параллелепипеда строго по размерам 20×20×30 мм, выполнение линейных измерений и его массы в лабораторных условиях; он не позволяет в оперативном режиме, не отходя от дерева, определять резонансные и другие физико-механические свойства древесины.
Модуль упругости можно определить общепринятым способом согласно ГОСТ 16483.31 «Древесина. Резонансный метод определения модулей упругости и сдвига и декремента колебаний» на стандартных образцах в виде брусков размерами 20×20×300 мм. Недостаток способа в основном связан с теми же причинами, что и в первом способе. Кроме того, для получения этих показателей требуется специализированная лаборатория, оснащенная достаточно сложной аппаратурой.
Для взятия образца древесины из растущего дерева в лесоводственных исследованиях и на практике с целью определения его возраста и/или радиального прироста по годовым слоям широко применяется возрастной бурав Пресслера (см. Анучин Н.П. Лесная таксация: Учебник для вузов. - 5-е изд., доп. - М.: Лесная промышленность, 1982, с. 55). Он представляет собой полое цилиндрическое тело, которое нажатием руки ввинчивается в ствол дерева до его сердцевины, и в дальнейшем с помощью специальной пластинки-ложечки из него извлекается образец древесины в виде радиально-поперечного керна.
Недостаток устройства заключается в том, что он предусматривает только получение образца древесины, а дальнейшие определения возраста и радиального прироста выполняется либо с помощью других приборов, либо в лесных условиях визуально, где неизбежны большие погрешности. Недостатком является и то, что получение кернов из ствола на высоте 1,3 м от его корневой шейки, а древесина в комлевой части дерева отличается от стволовой древесины повышенной плотностью и другими физико-механическими свойствами; следовательно, полученные в этой зоне результаты испытаний древесины не могут быть репрезентативными (показательными) для остальной части ствола, откуда изготовляются лесоматериалы спецназначений - резонансные, авиационные и т.д.
Известен бурав для извлечения керна древесины, основными элементами которого являются корпус бурава с режущей частью, дополнительный корпус, ходовой винт с ручкой и механизм крепления бурава (Патент 2163865 С1 РФ; опубл. 10.03.2001).
Недостаток устройства заключается в том, что механизм крепления бурава к дереву выполнен из соединенных между собой ремня и цепи, что затрудняет горизонтальность входа бурава в древесину ствола, так как его боковая образующая представляет собой не строгий цилиндр, а конус с небольшим наклоном боковой поверхности, поэтому ремень, плотно натянутый на эту поверхность уже в начале процесса сверления, прижимает бурав не в строго горизонтальном направлении, а под углом относительно поверхности земли, что искажает фактическую текстуру извлекаемого керна - годичные слои на нем будут расположены не перпендикулярно, а наклонно, что в конечном итоге вносит погрешность в определении макроструктуры и тем более физико-механических свойств древесины как путем использования этого керна, так и измерения сопротивления сверлению.
Устройство имеет и другой существенный недостаток, связанный с тем, что его режущая часть не ввинчивается в древесину, а совершает по существу только вращательно-поступательное движение за счет толкательного усилия, возникающего от ходового винта, прикрепленного к дополнительному корпусу бурава, в результате чего стенки керна получаются не ровными, а «гофрированными», то есть в ранних зонах годичных колец с мягкой древесиной наблюдается впадина, а в поздних зонах с более плотной и твердой древесиной - бугристость; в конечном счете существенно снижается качество керна как объекта для дальнейших исследований.
Существенным недостатком данного устройства является также то, что здесь отсутствует приспособление для измерения диаметра дерева, что снижает вероятность направить бурав строго по середине (центру) ствола, что также снижает качество извлекаемого керна, вносит определенную погрешность в исследованиях древесины на корню, например, методом измерения сопротивления сверлению.
Известен способ диагностики резонансных свойств древесины и устройство для его осуществления (Патент 2130611 РФ; опубл. 20.05.99). Данный способ основан также на использовании радиально-поперечных кернов деревьев ели для последующего определения в лабораторных условиях динамики изменения ширины годичных слоев и содержания в них поздней древесины по ее микротвердости с помощью специального прибора - электронного микродендрометра.
Недостаток данного способа заключается в том, что взятый образец для выполнения последующих исследований необходимо доставить в специализированную лабораторию, на что потребуются дополнительные трудозатраты и время. Следовательно, при таком способе ограничены возможности проводить полную экспресс-диагностику и целевой отбор деревьев непосредственно в лесных условиях. Главное: за период доставки опытного образца из леса до лаборатории происходит изменение его первоначальной влажности за счет десорбции древесины; это сказывается и на динамике физико-механических показателей и, соответственно, снижает точность их определения.
Прототипом является устройство для измерения сопротивления сверлению для определения физико-механических характеристик растущих деревьев, пиломатериалов и деревянных строительных конструкций (Патент RU 2448811 С1).
Недостаток устройства заключается в том, что рабочий орган прибора представляет собой обычное цельное сверло и при этом из дерева вообще не берется какой-либо образец, без чего практически невозможно определить макроструктурные показатели древесины, установленные соответствующими ГОСТ и/или ТУ на лесоматериалы спецназначений; к тому же, многие мастера по изготовлению музыкальных инструментов придают особое значение цвету древесины [Федюков В.И. Ель резонансная: отбор на корню, выращивание, сертификация. Йошкар-Ола, 1998. 204 с.], поэтому без извлечения опытного образца практически невозможно проводить диагностику качества и целевой отбор резонансной древесины на корню, то есть без спиливания дерева.
Вторым недостатком устройства является то, что величина сопротивления сверлению этим устройством определяется с помощью датчика угла поворота привода вращения бурового сверла относительно оси вала его ротора. В устройство датчика угла поворота входит нагрузочная пружина, механические свойства которой со временем изменяются, и это неизбежно снижает точность измерения.
Имеется и другой недостаток: отсутствует приспособление для фиксации устройства относительно к стволу, из-за чего в процессе сверления обычным методом (при поддержке сверла руками) неизбежны вращательные вибрации и биения, что порождает погрешность в показаниях датчика сигнала зависимости от нагрузки, то есть снижает точность результатов.
Технологическим недостатком можно считать и тот факт, что при таком способе отсутствует возможность измерить диаметр исследуемого дерева данным устройством одновременно с процессом сверления в целях не только оперативного выявления технического качества, но и соответствия требованиям ГОСТ размера ствола, что само по себе является одним из основных элементов экспресс-диагностики древесины на корню при ее отборе для изготовления резонансных и других спецсортиментов.
Технический результат - повышение точности и оперативности в экспресс-диагностике резонансных свойств древесины, а также расширение диапазона проведения комплексных дендрометрических исследований непосредственно в лесных условиях без спиливания дерева.
Технический результат достигается тем, что устройство для экспресс-диагностики резонансных свойств древесины на корню содержит буровое устройство с электрическим двигателем и программно-аппаратный комплекс с источником питания. Согласно изобретению оно снабжено датчиком давления, измерителем глубины сверления, цанговым держателем, продольной рейкой с мерной вилкой и горизонтально-ориентированным желобом, при этом буровое устройство установлено в горизонтально-ориентированным желобе с возможностью продольного перемещения по нему, причем желоб с помощью ползунка закреплен перпендикулярно на продольной рейке мерной вилки с возможностью передвижения вдоль нее, а бурав выполнен полым и закреплен в буровом устройстве посредством цангового держателя, при этом устройство выполнено с возможностью в процессе сверления в реальном масштабе времени по сигналам от датчика давления и измерителя глубины сверления, а также по величине тока электродвигателя определения дендроакустических характеристик древесины по динамике изменения величины сопротивления сверлению дерева полым буром
В диагностике резонансных свойств древесины на корню оценка ее дендроакустических характеристик выполняется по динамике изменения величины сопротивления сверлению дерева полым буравом, выявляемой измерителем глубины сверления (формирователем меток расстояния), измерителем тока потребления электродвигателя и одновременной фиксацией сигнала в зависимости от нагрузки с помощью датчика давления, по снятым показаниям определяются модуль упругости и показатели макроструктуры.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - механическая часть устройства.
Блок-схема устройства, реализующего способ включает: 1 - механическую часть устройства; 2 - датчик сигнала зависимости от нагрузки (датчик давления); 3 - измеритель глубины сверления (формирователь меток расстояния); 4 - измеритель тока потребления электродвигателя; 5 - источник питания; 6 - блок обработки сигналов с выходом на ПК.
Механическая часть устройства включает мерную вилку 7 с продольной рейкой, полый бурав 8 один конец которого имеет винтовую поверхность, другим концом посредством цангового держателя 9 закреплен в буровом устройстве 10, установленным в горизонтально ориентированном желобе 11 с возможностью продольного перемещения по нему, желоб с помощью ползунка закреплен перпендикулярно к продольной рейке мерной вилки с возможностью передвижения вдоль продольной рейки, буровое устройство имеет кнопку «пуск» 12, которая соединяет механическую часть устройства с аккумулятором 13.
Способ осуществляют следующим образом.
cp
cp
Пользуясь визуально-биоморфологическим способом [Федюков В.И. Ель резонансная: отбор на корню, выращивание, сертификация. Йошкар-Ола, 1998. 204 с.], намечают еловое дерево, которое по габитусу ствола и другим внешним признакам предположительно подходит для заготовки резонансного лесоматериала. С помощью мерной вилки 7, которая одновременно служит креплением для бурового устройства 10, по двум взаимоперпендикулярным направлениям относительно сторон света С-Ю и В-З на высоте ствола 1,7 м определяют его средний диаметр D; если величина среднего диаметра находится в интервале 42,0 см ≥ D ≥ 30,0 см, то дерево подлежит дендрометрическим исследованиям по выявлению резонансных свойств древесины на корню. Для этого полый бурав 8 с помощью цангового держателя 9 монтируется одним концом в буровое устройство 10 с источником э/питания (батарейки), которое в свою очередь помещается в желоб 11, закрепленный перпендикулярно к продольной рейке мерной вилки 7 с помощью ползунка; при необходимости желоб 11 вместе с буровым устройством 10 легко можно передвигать вдоль продольной рейки мерной вилки 7. Другой конец полого бурава 8, наружная часть которого представляет собой винтовую поверхность, подводится к дереву и незначительно углубляется в ствол, продвигая буровое устройство по желобу 11 строго горизонтально по диаметру в направлении С-Ю. В дальнейшем бурав приводится во вращательное движение нажатием кнопки «Пуск» 12, которая соединяет механическую часть устройства с аккумулятором 13. Благодаря винтовой поверхности полый бурав в результате вращения автоматически ввинчивается в ствол и высверливает поперечно-радиальный керн, при этом одновременно с помощью датчика давления в соответствии с изменением величины сопротивления сверлению в реальном масштабе времени автоматически регистрируется и выводится на экран дисплея в табличном и графическом изображении колебание ширин ранней и поздней зон годичных колец, то есть определяются основные показатели макроструктуры древесины, характеризующие ее соответствие или не соответствие требованиям ГОСТ 9463-88 или зарубежных стандартов на резонансные и другие спецназначения.
Величина сопротивления сверлению определяется с помощью датчика давления, питание электродвигателя осуществляется стабилизированным напряжением, при этом регистрируется динамика изменения значений потребляемых токов, меток расстояния, а также для автоматизированной обработки получаемых данных в ЭВМ в цифровых значениях и одновременно вывода на экран ПК в табличном и графическом изображениях динамики макроструктуры древесины и других физико-механических и акустических показателей, в устройстве имеется специальный аппаратно-программный комплекс для формирования-регистрации меток расстояния и выполнения обработки получаемых данных в ЭВМ в цифровых значениях и одновременно в виде соответствующих гистограмм; передача данных на ПК осуществляется по каналу беспроводной связи, а приемник находится у оператора.
Пользуясь реальными показаниями величины сопротивления сверлению и основываясь на существующих закономерностях взаимосвязи физико-механических и акустических показателей (Волынский В.Н. О взаимосвязи прочности древесины с несколькими ее параметрами, определяющими неразрушающим способом. ИВУЗ «Лесной журнал». 1991. №4, с. 60-64), а также известный теоретический или графический способ получения декремента колебаний [Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения: Учебник для вузов. - М.: МГУЛ. 2001. 340 с.; Пищик И.И. Датирование древесины длительной выдержки неразрушающими методами: Дис. … д-ра техн. наук: 05.21.05 Москва, 2004. 356 с. РГБ ОД, 71:05-5/641], можно без рубки дерева и изготовления опытных образцов непосредственно в лесных условиях выполнить неразрушающую экспресс-диагностику резонансных свойств древесины.