Исследование распределения плотности в поперечных сечениях методами импульсной томографии и ориентированного сверления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование распределения плотности в поперечных сечениях методами импульсной томографии и ориентированного сверления

Лавров М.Ф.

Местников А.Е.

Левинский Ю.Б.

Аннотации

Lavrov M.F. senior lecturer, Mestnikov A.E. D. Sc., professor

North-Eastern Federal University in Yakutsk

Levinsky Yu.B. Ph.D., professor

Ural state forest engineering university

RESEARCHING OF THE DENSITY DISTRIBUTION IN THE TRANSVERSE SECTIONS BY MICRODRILLING AND ULTRASONIC METHODS

В статье представлены методы и результаты исследования качественных показателей древесины, полученные в лабораторных и полевых условиях, а также разработанные автором способы графического отображения распределения плотности в поперечных и продольных сечениях ствола дерева по результатам замеров методом ориентированного сверления.

The article presents the methods and results of research larchwood, and mapping of the density distribution in the transverse and axial sections of a tree trunk by microdrilling methods. The proposed methods for charting the distribution of the density of a measurement in trunk that allows them to be used as a theoretical basis for special software the microdrilling. The developed quantitative evaluation methods of forest resources contributed to the expansion of the use of wood materials, reduce cost, and improve the quality of construction of wooden structures and constructions.

Предложенные способы построения графиков распределения плотности позволяют оценивать показатели плотности в круглых сортиментах заготовок, что позволяет использовать их в качестве теоретической основы создания специального программного обеспечения для приборов, работающих по принципу ориентированного сверления. Разработанная методика оценки качественных показателей лесных ресурсов способствует расширению границ использования древесных материалов, снижению их себестоимости, а также повышению качества строительных деревянных конструкций и сооружений.

Комплексные исследования ведущих ученых по проблемам древесиноведения позволили установить, что по мере продвижения с запада на восток влажность древесины лиственницы уменьшается, а прочностные свойства возрастают [1,2,3]. В то же время плотность древесины в абсолютно сухом состоянии в зависимости от района произрастания существенно не различаются [1,2,3,4,5,6]. Таким образом, условия произрастания древесных пород оказывают определенное влияние на физико-механические свойства древесины. древесина сечение замер

Во всех случаях отмечено, что в абсолютно сухом состоянии плотность древесины в комлевой части обладает наибольшими показателями и значительно снижается к середине высоты ствола. В некоторых случаях можно наблюдать небольшое повышение плотности древесины в районе кроны [1,7]. Характер распределения показателей плотности древесины в различных участках ствола деревьев объясняется неравномерным отложением годичных слоев и различным соотношением ранней и поздней древесины. Наибольшая плотность древесины в абсолютно сухом состоянии отмечается в комлевой части ствола, которая обусловлена еще и тем, что эта часть ствола, выполняя функцию опоры дерева, несет большую механическую нагрузку. Повышение плотности этих участков ствола связано с увеличением толщины стенок клеток и большим содержанием смол и других экстрактивных веществ [7,8,9,10].

В пределах каждого дерева любой породы древесины плотность весьма неоднозначна по своей величине и зоне ствола (рис. 1.) [1,7]. Это, безусловно, создает серьезные, а в ряде случаев и непреодолимые трудности в подборе древесины с однородными свойствами для ответственных изделий и конструкций.

Рис. 1. Денситограмма ствола ели (а) и осины(б)

Возрастающие требования к рациональному использованию древесины предполагают проведение высокоточной и обширной диагностики строения, состояния и качества древесины, что позволяет получение достоверных данных о состоянии древесины, ее анатомическом строении и основных физико-механических показателей. В связи с актуальностью проблемы оперативного диагностирования качества древесины, целью данной работы является повышение эффективности определением плотности древесины современными неразрушающими методами.

К неразрушающим акустическим методам можно отнести: ультразвуковой импульсный, фазовый, резонансный, ударный. Ультразвуковой импульсный метод основан на использовании механических колебаний высокой частоты. Характерной особенностью ультразвукового импульсного метода является возбуждение высокочастотных колебаний малой амплитуды в ограниченном объеме материала. При этом материал не меняет своей формы, лишь изменяет скорость прохождения импульса в некоторой локальной зоне по линии прозвучивания.

Сверлильный метод, позволяет оценить прочность древесины на произвольной глубине путем регистрации количества работы сверления в последовательно просверливаемых слоях исследуемых деревьев, телеграфных столбов, шпал, мостовых брусьев и т.п.

Материалы и методы исследований

Для исследования качественных показателей древесины лиственницы даурской были отобраны модельные деревья в количестве 9 шт., а также один экспериментальный ствол с явно выраженными пороками строения (наклоном волокон, кривизной, сбежистотью и т.д.). Отбор модельных деревьев осуществлялся по ГОСТ 16483.6-80 в лимнасово-брусничном лесу на 25 километре федеральной автомобильной дороги "Вилюй". Согласно ГОСТ 16483.6 - 80 модельные деревья исследуемой породы выбраны из числа деревьев, величина диаметров которых удовлетворяют требованиям, предъявляемым к лесоматериалам в зависимости от их назначения.

Для проведения ультразвуковых импульсных испытаний использовано оборудование по определению внутренней структуры древесины - импульсный томограф АРБОТОМ® (производство RINNTECH Германия).

В каждом сенсоре АРБОТОМА имеется виброметр и электронная схема определения реального времени прохождения поступающих импульсов. Скорость ультразвука рассчитывается временем прохождения импульсов между сенсорами (Рис.2).

Рис. 2. Схема прохождения импульсов между сенсорами

Скорости прохождения импульсов собираются в матрицу и представляются в виде линейных или плоскостных графических построений.

Исследование качественных показателей древесины лиственницы даурской с использованием метода ориентированного сверления проводилось по следующей программе [12,13]:

- установление последовательности проведения испытаний и анализа данных по оценке качества древесины.

- установление характерных зон замера;

- определение внутренней структуры древесины, с разметкой границ ранней и поздней древесины;

- приведение замеряемых значений resi к истинным значениям показателей;

- установление связи базисной плотности древесины с условными единицами resi;

При взаимно перпендикулярном совмещении графиков распределения базисной плотности (в направлении север-юг и запад-восток) по диаметру ствола относительно ориентации пути сверления можно получить поверхностные диаграммы распределения базисной плотности в программе MS Excel.

Для составления поверхностной диаграммы поперечных сечений приняты следующие допущения:

1. Поперечное сечение ствола имеет форму круга.

2. Центр окружности совпадает с осью поперечного сечения ствола.;

3. Характер изменения плотности годичного кольца по окружности ствола является равномерным.

На рис. 3 представлена таблица, моделирующая форму сечения ствола с разделением участков в 1 см. Указаны направления света, которые идентифицируют направления просверливания.

Рис. 3. Таблица данных распределения плотности в поперечном сечении ствола

Пример заполнения таблицы северо-восточной части ствола представлен на рис. 4.

Рис. 4. Форма табличного заполнения данных

На рис. 4. показаны идентификационные номера, где в ячейках главных осей (Ni, Ei) записываются экспериментальные данные средних значений плотности (на участке длиной в 1 см), а в ячейках (NEi,k) расчетные данные распределения плотности, которые определяются по формуле:

, (1)

где NEi,k - расчетные данные распределения плотности; Ei - значение средней плотности (кг/м 3) в восточной части на i-м расстоянии (см) от центральной оси; Ni - значение средней плотности северной части на i-м расстоянии (см) от центральной оси; k - номер ячейки на i-м расстоянии (см) от центральной оси; n- количество ячеек на i-м расстоянии (см) от центральной оси.

Пример расчета данных в ячейке NE12-9:

Значение N12 = 689 кг/м 3; E12 = 588 кг/м 3; k = 9; n = 15.

NE12-9 = 588-9/16*(588-689)=632, кг/м 3

Результаты и обсуждение

Полученные данные скорости прохождения импульсов были распределены в зависимости от угла прохождения импульсов относительно годичных слоев. Для определения зависимости скорости прохождения импульсов от угла, высоты снятия замера измерены расстояния между датчиками. В табл. 1 представлены значения углов прохождения импульсов между датчиками относительно поперечного сечения ствола.

Таблица 1 - Значение углов прохождения импульсов между датчиками по отношению к поперечному сечению ствола

В процессе исследований было обнаружено, что древесина лиственницы обладает значительным разбросом скорости звуковых импльсов. Так скорость распространения импульсов в испытуемых модельных деревьях колеблется в пределах от 840 до 2246 м/сек. Усредненные значения замеров показаны на рис. 3.

Рис. 5. График изменения скорости прохождения звуковых импульсов по высоте ствола дерева и угла прохождения в поперечном сечении ствола

В ходе экспериментальных исследований проведен сравнительный анализ плоскостных графиков распределения плотности с графиками распределения скорости звуковых импульсов, полученных с помощью звукового томографа "Арботом", (фирмы Риннтех, Германия) [12,15]. Результаты представлены на рис. 5.

Рис. 6. Сравнение распределения плотности в поперечном сечении ствола

Из рис. 6. видно, что графики имеют общие тенденции распределения плотности по сечению ствола. Для повышения точности представления графиков распределения плотности требуются дополнительные точки просверливаний в промежуточных направлениях:

- с северо-запада на юго-восток;

- с северо-востока на юго-запад.

Заключение

По результатам экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

- скорость прохождения звука зависит от угла прохождения звукового импульса относительно поперечного сечения ствола, что можно предположить об устойчиой корреляционной связи скорости звукового импульса и модулем упругости древесины;

- импульсная томография может быть применена в оценке качества растущего древесного сырья, однако необходимы дальнейшие исследования по определению корреляционных показателей связи модуля упругости древесины хвойных пород и скоростью прохождения звукового импульса, с учетом угла прохождения импульсов относительного поперечного сечения ствола.

Современные способы оценки качества древесины методами звуковой томографии и сверления имеют неоспоримые преимущества по сравнению со многими другими, в том числе и с теми, которые достаточно широко распространены в производственной практике. Они позволяют визуально и количественно оценивать данные, полученные этими способами и делать выводы о состоянии древесины.

В отношении определения механических свойств древесины и методик оценки качества древесины звуковым методом исследований в современной науке требуются дополнительные исследования и изыскания.

Разработанная методика составления карт распределения плотности в поперечных и продольных сечениях ствола дерева позволит внедрить метод ориентированного сверления в повсеместную практику, как при оценке качественных показателей древесины в лесных массивах, так и элементов деревянных конструкций на эксплуатируемых объектах.

С помощью метода ориентированного сверления можно исследовать макроструктуру древесины и биосостояние ствола дерева, практически не нарушая его целостности, а также определять плотность и механические свойства древесины. Определение указанных характеристик лиственницы даурской представляется достаточно согласованным с научными принципами исследования древесины и описания ее свойств. Соотношения между параметрами макростроения древесины, ее плотности и прочности могут быть установлены на основе идентификации характеристик процесса внедрения сверла-индентора в древесину и величины ее сопротивления продвижению инструмента по образующемуся каналу. Поэтому разработка математической модели процесса сверления и создание специальных карт распределения плотности по сечению и высоте ствола дерева могут обеспечить достоверное и обоснованное прогнозирование технических показателей и качества самой древесины.

Литература

1. Алексеев И.А., Полубояринов О.И. Лесное товароведение с основами древесиноведения: учебное пособие - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - 457 с.

2. Бокщанин Ю.Р. Пути расширения переработки и потребления лиственницы - Свердловск: Изд. Сверд. НТО бумлесдрев, 1962. - 98 с.

3. Исаева, Л.Н. Физико-механические свойства древесины основных пород Сибири / Л.Н. Исаева. - Красноярск: Ин-т леса и древесины им. В.Н. Сукачева СО АН СССР, 1975. - 310 с.

4. Вихров В.Е. Лобасенок А.К. Технические свойства древесины в связи с типами леса - Минск: Изд-во Министерства высшего, среднего специального и профессионального образования, 1963. - 72 с.

5. Жуков А.Б. Технические свойства древесины сосны из лесов Украины - Харьков: 1931. - 80 с.

6. Львов, П.Н. Климов Р.Н. О качестве древесины ели и лиственницы Крайнего Северо-Востока Коми АССР // ИВУЗ. "Лесной журнал" - 1971. - № 4. - С. 124-125.

7. Полубояринов О.И. Плотность древесины. - М.: Лесная промышленность, 1976. - 160 с.

8. Вихров В.Е. Строение и физико-механические свойства ранней и поздней древесины сибирской лиственницы // Тр. ин-та леса АН СССР - 1949. - Т. 4. -С. 174-194.

9. Санаев В.Г. Физико-механические свойства элементов макроструктуры древесины // Строение, свойства и качество древесины - Москва-Мытищи, 1990. - С. 171-176.

10. Вихров В.Е. Изменение крепости древесины в зависимости от процента поздней части годичного слоя и влажности // Тр. Арханг. лесотехн. ин-та. - Арханг.: 1949 - Т. 13. - С. 175-178.

11. Волынский В.Н. Плотность и модуль упругости как критерии прочности чистой древесины // ИВУЗ. "Лесной журнал" - 1983. - № 4. - С. 76-80.

12. Лавров М.Ф., Левинский Ю.Б., Чахов Д.К., Докторов И.А., Семенова С.А. Распределение плотности по высоте и сечению ствола древесины лиственницы даурской // Промышленное и гражданское строительство. - 2013. - № 8. - С. 41-42.

13. Лавров, М.Ф. Чахов Д.К., Докторов И.А., Определение качественных показателей древесины методом сверления // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2014. - № 5. - С. 196-201.

14. Лавров, М.Ф. Семенова С.А. Определение акустических показателей древесина лиственницы // "ЭРЭЛ-2012": Материалы Всероссийской конференции научной молодежи. - Т. 1. - Якутск, 2012. - С. 92-95.

15. Левинский, Ю.Б., Лавров М.Ф., Семенова С.А. Новый методологический подход к исследованию распределения плотности по сечению и высоте ствола в древесине (на примере древесины лиственницы даурской, произрастающей в Якутии) [Электронный ресурс] // VIII Междунар. Евразийский симпозиум "Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI в.", 2013 г. URL:http:// http://symposium.forest.ru/article/2013/2_tehnology/pdf/Levinskyi2.pdf (дата обращения: 19.02.2015).

Размещено на Allbest.ru