close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0D2FBC303F

код для вставкиСкачать
1
На правах рукописи
БАХШИЕВА Мария Абидовна
ФОРМИРОВАНИЕ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ МАКРОСКОПИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
ДРЕВЕСИНЫ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ
05.21.05 – Древесиноведение, технология
и оборудование деревопереработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2017 г.
2
Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский
государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»
Научный руководитель:
Чубинский Анатолий Николаевич
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Исаев Сергей Петрович
доктор технических наук, доцент, Федеральное
государственное бюджетное образовательное
учреждение
высшего
образования
«Тихоокеанский государственный университет»
Горбачева Галина Александровна
кандидат
технических
наук,
доцент,
Мытищинский
филиал
Федерального
государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего образования «Московский
государственный
технический
университет
имени Н.Э. Баумана».
Ведущая организация:
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
образования
«Уральский
государственный
лесотехнический университет»
Защита диссертации состоится «6» июня 2017 г. в 9:15 часов на заседании
диссертационного
совета
Д 212.220.03
при
Санкт-Петербургском
государственном лесотехническом университете имени С.М. Кирова (194021,
Санкт-Петербург, Институтский пер. 5, главное здание, зал заседаний).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЛТУ и на сайте
http://spbftu.ru/science/sovet/D21222003/dis03/
Автореферат разослан «4» апреля 2017 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Бирман Алексей Романович
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Учет природных особенностей
древесины и контроль качества конечной продукции при производстве
пиломатериалов требуют дополнительных капиталовложений, тем не менее,
эти затраты оправдываются за счет рационального использования древесины,
а также возможности получения пиломатериалов высокого качества,
способных обеспечить требуемые свойства готовой продукции и увеличить
их срок эксплуатации.
Одним из наиболее эффективных методов повышения качественного
выхода и точности оценки качества бревен является применение
компьютерной томографии. Ее использование позволяет исследовать
макроскопическое строение древесины, определять плотность древесины,
прогнозировать качество пиломатериалов, снижать влияние пороков и
особенностей строения ствола дерева на сортность пиломатериалов путем
ориентирования бревна относительно пил. В связи с отсутствием технической
возможности, эта технология не была детально изучена и не получила
должного распространения в лесопромышленной индустрии России. В этой
связи, исследование свойств и строения древесины в процессе изготовления
древесных материалов компьютерной томографией и разработка методик ее
применения является актуальной проблемой.
Степень разработанности темы исследования. Влияние строения и
свойств древесины на качество пиломатериалов, методы неразрушающего
контроля и оценки качества древесины исследовали: Батин Н.А., Боровиков
А.М., Исаев С.П., Калитеевский Р.Е., Кармадонов А.Н., Лакатош Б.К.,
Мелехов В.И., Огурцов В.В., Песоцкий А.Н., Пижурин А.А., Полубояринов
О.И., Рыкунин С.Н., Тамби А.А., Уголев Б.Н., Чубинский А.Н., Zobel B. и
другие. Вместе с этим, до сего времени отсутствуют научно-обоснованные
рекомендации по учету макроскопического строения древесины и
ювенильной зоны ствола дерева методом компьютерной томографии при
изготовлении пиломатериалов.
Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение
качества пиломатериалов за счет учета особенностей макроскопического
строения круглых лесоматериалов компьютерной томографией. Для
достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать строение сосны и ели методом компьютерной томографии.
2. Обосновать характеристики макростроения древесины пиловочника,
оказывающие влияние на сортность пиломатериалов.
3. Разработать методику идентификации пород древесины методом
компьютерной томографии.
4. Исследовать строение и свойства ювенильной древесины сосны и ели.
5. Математически описать размерные характеристики макроскопических
элементов строения древесины, определенные методом компьютерной
томографии.
4
6. Разработать рекомендации по использованию результатов исследований
свойств древесины методом компьютерной томографии в технологии
лесопиления.
Объектом исследования являются пиловочные бревна ели и сосны.
Предметом исследования являются макроскопические характеристики
древесины.
Научной новизной обладают:
1. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение
возможности повышения качества пиломатериалов посредством учета
анатомических особенностей строения древесины при помощи компьютерной
томографии.
2. Результаты
исследований
методом
компьютерной
томографии
характеристик макрокомпонентов (ювенильная древесина, сучки, годичные
слои) строения древесины.
3. Признаки макроструктуры древесины, которые необходимо учитывать при
составлении индивидуальных схем раскроя бревен: количество и длина
годовых приростов по высоте ствола, количество сучков в годовом приросте и
сучков состоящих в мутовке, угол наклона сучка, степень его изогнутости,
относительные длина и диаметр сучка, размеры ювенильной древесины.
4. Методика раскроя сырья с учетом анатомических особенностей отдельных
пород, которые могут быть учтены с помощью компьютерной томографии.
5. Методика сортировки пиловочника по породам на основе результатов
полученных методом компьютерной томографии.
Теоретическая значимость работы.
1. Обоснование новых признаков строения древесины: количество и длина
годовых приростов по высоте ствола, количество сучков в годовом приросте и
сучков состоящих в мутовке, угол наклона сучка, степень его изогнутости,
относительные длина и диаметр сучка в объеме ствола.
2. Обоснование возможности оценки визуальных признаков и строения
древесины методом компьютерной томографии.
3. Обоснование метода идентификации породы древесины с помощью
компьютерной томографии.
Практическая значимость работы. Полученные результаты
исследований могут быть использованы на лесопильных и лесопильнодеревообрабатывающих предприятиях и позволят:
1. Обосновывать индивидуальные схемы раскроя пиловочных бревен с учетом
их макроскопического строения при возможности поворота бревна
относительно постава пил поворотным устройством;
2. Снизить влияние ювенильной древесины на сорт пиломатериалов за счет
разделения зрелой и ювенильной зон ствола в процессе раскроя пиловочника;
3. Снизить влияние сучков на сорт пиломатериалов за счет поворота бревна
относительно постава пил;
4. Прогнозировать качество пиломатериалов.
Методология и методы исследования. Методологическую основу
исследований составили базовые положения науки о древесине и
5
неразрушающих методах исследования ее свойств, результаты исследований
процесса лесопиления, качественных характеристик пиломатериалов.
Использование компьютерной томографии и современных способов
обработки экспериментальных данных, позволили детально изучить строение
древесины на макроуровне, разработать методику идентификации пород и
рекомендаций по обоснованию индивидуальной корректировки схем раскроя
пиловочных бревен в процессе производства. Исследования проводились в
лабораториях СПбГЛТУ, Institut National de la Recherche Agronomique, Nancy
(Франция).
Положения, выносимые на защиту:
1. Математико-статистические модели элементов внутреннего строения
древесины сосны и ели;
2. Методика исследования строения и новых признаков макроструктуры
древесины с помощью компьютерной томографии;
3. Методика разделения ювенильной и зрелой зон ствола;
4. Методика идентификации древесных пород ели и сосны на основе
результатов компьютерной томографии.
Степень достоверности. Достоверность научных положений, выводов
и рекомендаций обеспечивается обоснованными упрощениями, корректными
допущениями при замене реальных процессов расчетными схемами и
разработке регрессионных моделей; современными средствами научного
поиска; результатами испытаний, проведенных в промышленных условиях,
приемлемыми совпадениями результатов теоретических исследований с
экспериментальными данными.
Апробация. Результаты работы доложены на научно-технической
конференции
«Актуальные
проблемы
и
перспективы
развития
лесопромышленного комплекса» в Костроме в 2012 г., на международных
научно-практических конференциях «Sprungbrett» в 2013 г., проходивших в
Черногории и Швейцарии, на научно-практической конференции молодых
ученых в СПбГЛТУ имени С.М. Кирова в 2015 г., на международной научнопрактической конференции «Современные проблемы биологического и
технического древесиноведения» в Йошкар-Оле в 2016. Производственная
апробация работы проводилась на лесозаготовительном предприятии
ООО «Кириши Леспром» в поселке Будогощь Ленинградской области, а
также на ЗАО «Крона». Результаты исследований использованы при
выполнении хоздоговорной НИР № 1.3.01.16 «Формирование пиломатериалов
методом индивидуального раскроя на круглопильных станках «KARA». По
результатам исследований опубликовано 10 статей, в том числе в ведущих
рецензируемых изданиях ВАК 4 статьи, одна из них в журнале «Russian
Journal of Nondestructive Testing», входящем в базу данных Scopus.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти
разделов, заключения, списка литературы и приложений, стр. 165, рис. 65,
табл. 21.
6
Соответствие паспорту специальности. Диссертация соответствует
паспорту научной специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и
оборудование деревопереработки» в пунктах:
1. Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки
(технологических воздействий).
2. Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты
обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой
продукции.
11. Разработка методов оценки и управления качеством обоснования
технических показателей и их уровней, эффективности технического
обслуживания
отдельных
агрегатов,
оборудования,
поточных
и
автоматических линий.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыта
научная новизна работы, ее значение для науки и практики. Содержатся
сведения о структуре и объеме диссертации.
Первый раздел, «Анализ состояния вопроса. Цель и задачи
исследования», посвящён анализу факторов и макроскопических признаков
древесины, определяющих схему раскроя пиловочных брёвен и качественные
характеристики пиломатериалов, а также сравнительному анализу и
систематизации физических неразрушающих методов контроля качества.
Анализ состояния вопроса показал, что основными предпосылками
выбора схемы раскроя являются: размерно-качественные характеристики
сырья, вид и назначение пиломатериалов, ассортимент продукции и
требуемый объем выпуска пиломатериалов, вид и количество головного
оборудования. Исследование показало, что повысить качественный выход
пилопродукции возможно за счет применения средств контроля качества для
учета размерно-качественных характеристик сырья.
Сравнительный анализ и систематизация методов неразрушающего
контроля качества позволили установить, что компьютерная томография
является наиболее информативным физическим методом, который способен
выявлять основные сортообразующие пороки, на базе чего определять
рациональный раскрой пиловочника. Вместе с тем, анализ состояния вопроса
позволил установить, что и по настоящее время отсутствует достоверная
методика учета сортообразующих пороков компьютерной томографией.
Во втором разделе «Методика проведения исследования», приводятся
характеристики используемых материалов, методов и средств исследования,
оборудования, методик экспериментов и обработки их результатов.
Для исследования макроскопического строения древесины, строения и
свойств ювенильной зоны, разработки метода идентификации древесины
пород методом компьютерной томографии использовано 104 сосновых и
еловых бревен (средний возраст 75 лет) (табл. 1).
7
Таблица 1
Обобщенная методическая сетка проведения экспериментальных исследований
Задача
исследования
Наименование
Порода
древесины
Исследование
строения
древесины
ювенильной
зоны ствола.
Исследование
усушки
древесины
ювенильной
зоны ствола.
Наименование
1.Количество годовых приростов
2.Длина годовых приростов
3.Относительный диаметр сучка
сосна,
4.Относительная длина сучка
ель,
5.Число сучков в годовом приросте
пихта белая, 6.Число крупных сучков в мутовках
пихта
7.Угол наклона сучков
дугласова,
8.Начальный угол наклона сучков
лиственница 9.Уровень тоновой градации серого
цвета
10.Относительная толщина коры
11.Степень изогнутости сучка
1.Количество годовых приростов
2.Длина годовых приростов
3.Относительный диаметр сучка
4.Относительная длина сучка
5.Число сучков в годовом
приросте
6.Число крупных сучков в
мутовках
7.Угол наклона сучков
8.Начальный угол наклона сучков
9.Уровень тоновой градации
серого цвета
10.Относительная толщина коры
11.Степень изогнутости сучка
54
250
13500
сосна,
ель
1. Толщина годичного слоя
2. Содержание поздней древесины.
1. Толщина годичного слоя
2. Содержание поздней древесины.
30
20
75
2250
1500
сосна,
ель
Усушка ювенильной древесины
Радиальная, тангенциальная,
продольная усушка.
3
3
6
6
18
18
7
Исследование
макростроения
древесины.
Разработка
метода
идентификации
пород
древесины.
Значение
Параметры оценки объекта и/или
предмета исследования (выходной
параметр)
Количество
повторений
опытов
Общее
количество
наблюдений
Переменные факторы
Количество
опытов
Постоянные факторы
Количество результатов
наблюдения
8
Для исследования макростроения древесины введены принципиально
новые признаки, которые могут быть оценены и измерены посредством
компьютерной томографии, а именно: относительные диаметр и длина сучка,
количество и длина годовых приростов по высоте ствола, количество сучков в
годовом приросте, число крупных сучков, состоящих в мутовках, угол
наклона сучков относительно оси ствола.
Для проведения эксперимента по исследованию макростроения
древесины из бревен выпилены с шагом 6 м цилиндрические секции высотой
0,5 м (самая нижняя секция на расстоянии 10 см от земли). Для разработки
метода идентификации древесных пород компьютерной томографией по
макроскопическим признакам использованы бревна длиной 1,5 м (вершинные,
срединные, комлевые) пяти пород: ель, сосна, пихта белая, пихта дугласова,
лиственница. Введены дополнительные признаки макроскопического
строения: уровень тоновой градации серого цвета, относительная толщина
коры, угол наклона сучка в начальной точке его роста, степень изогнутости
сучка.
Бревна и дисковые секции (средняя влажность 40-60 %) просканированы
компьютерным томографом PHILIPS
Medical Systems Nederland B.V.
Обработка снимков с томографа и измерение выделенных признаков
макроструктуры проведена в программном обеспечении Philips DICOM
images viewer 3.0. Для 3D визуализации измерений использована программа
ImageJ.
Для исследования строения и свойств ювенильной древесины из
комлевых бревен выпилены дисковые секции толщиной 20 см. Для
исследования усушки годичных слоев ювенильной и зрелой древесины из
дисковых секций получены тонкие образцы так, что в каждом образце
заключен лишь тот годичный слой, усушку которого необходимо измерить.
Измерена усушка каждого 10-го годичного слоя, начиная с прилежащего к
сердцевинной трубке. При исследовании строения и свойств ювенильной
древесины и определении ее размеров по этим же дисковым секциям изучено
изменение ширины годичных слоев и содержания поздней древесины в них.
Полученные экспериментальные данные однофакторных экспериментов
обработаны с использованием программы «MS Excel 2010», языка и среды R
для математико-статистического анализа данных, методами математической
статистики: диаграммы боксплот, метод главных компонент, дерево
классификации.
В третьем разделе, «Исследование макроскопического строения
древесины сосны и ели компьютерной томографией», приведены результаты
измерений выделенных признаков макроскопического строения. Получены
графики зависимости изменения показателей макростроения по высоте
ствола, на которой были произведены замеры, и соответствующие уравнения
регрессии; обоснован выбор измеряемых признаков макроструктуры
древесины, разработан метод идентификации пород по этим признакам.
9
30
25
20
15
10
5
0
0
6
12
Высота, м
18
Сосна
Ель
Рис. 1 Зависимость количества годовых
приростов в 1 м длины ствола от высоты
ствола, на которой произведен замер
Средняя длина годового
прироста, м
Количество годовых
приростов по высоте
ствола дерева в 1м
На рис. 1 и 2 представлены графики зависимости количества годовых
приростов по высоте ствола в одном метре его длины и длины годового
прироста от высоты ствола, на которой произведен замер.
Из графика зависимости количества годовых приростов по высоте в 1 м
длины ствола от высоты ствола, на которой произведен замер (рис. 1), видно,
что комлевая часть ствола ели характеризуется большим количеством
годовых приростов (26 – в самом нижнем образце, 8 – на высоте 6 м от земли),
которое снижается до высоты 12 м до значения 4 и далее остается
неизменным. Количество годовых приростов в 1 м длины ствола сосны по
высоте практически не изменяется и в среднем равно 4.
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
6
12
Высота, м
18
Сосна
Ель
Рис. 2 Зависимость средней длины годового
прироста по высоте ствола от высоты
ствола, на которой произведен замер
Из графика зависимости средней длины годового прироста по
высоте ствола, от высоты ствола, на которой произведен замер (рис. 2), видно,
что длина годового прироста по высоте ствола сосны на промежутке от 0 м
(10 см от земли) до 6 м возрастает от значения 0,28 до 0,5 м, после чего
уменьшается до 0,24 м на высоте 12 м от земли. На промежутке от 12 до 18 м
показатель плавно увеличивается до значения 0,35 м. Ель характеризуется
короткими годовыми приростами: от высоты 0 м до 12 м их длина возрастает
от 0,04 м до 0,35 м, после чего она также возрастает, но в более плавном темпе
до значения 0,35 на высоте 18 м от земли.
Зависимость количества годовых приростов по высоте ствола в одном
метре и их длины от высоты ствола, на которой произведен замер,
описывается уравнениями регрессии:
1м = -0,0125x3 + 0,4917x2 - 6,0997x + 27,198, R2=0,839 – Ель,
1м = -0,0019x3 + 0,0715x2 – 0,7305x + 4,1868; R2=0,387 – Сосна,
гп = -0,0002x3 + 0,0039x2 + 0,0112x + 0,026; R2=0,303 – Ель,
гп = 0,0003х3 - 0,0105х2 + 0,111х + 0,1727; R2=0,471 – Сосна,
(1)
(2)
(3)
(4)
где 1м – количество годовых приростов по высоте ствола в одном метре;
гп – длина годового прироста по высоте ствола дерева, м; х – высота ствола,
на которой произведен замер, м.
10
На рис. 3 и 4 представлены графики зависимости относительного
диаметра и относительной длины сучка от высоты ствола, на которой
произведен замер. Относительный диаметр и относительная длина сучка
представляет собой отношение диаметра и длины сучка (соответственно) к
диаметру ствола на высоте замера.
Как видно из графика зависимости относительного диаметра сучка от
высоты, на которой был произведен замер (рис. 3), ель характеризуется
большим значением этого показателя, чем сосна. На высоте самого нижнего
замера относительный диаметр сучка ели равен 0,12, в то время как
относительный диаметр сучка сосны равен всего лишь 0,03. На высоте замера
6 м значения этого показателя для обеих пород выравниваются и составляют
0,09, что является минимальным значением относительного диаметра сучка
ели, и максимальным значением в случае сосны. Начиная с высоты 6 м этот
показатель увеличивается и принимает значение 0,19 на высоте 12 м у ели, и
убывает до 0,05 у сосны. На высоте замера 18 м от земли относительный
диаметр сучка ели равен 0,14, сосны - практически не изменился (0,04).
Относительная длина сучка (рис. 4) сосны резко возрастает от комля до
значения 6 м над землей (от 0,56 до 1,0) после чего практически не
изменяется. Относительная длина сучка ели уменьшается от значения 0,84 на
самой нижней отметке до 0,79 на высоте 6 м, после чего плавно возрастает до
значения 0,93 на высоте 18 м.
Зависимость относительного диаметра и относительной длины сучка от
высоты ствола, на которой произведен замер, описывается уравнениями:
отн = 0,005x2 - 0,033x + 0,124; R2=0,330 – Ель,
(5)
2
2
отн = 0,003x + 0,023x + 0,033; R =0,673 – Сосна,
(6)
3
2
2
отн = -0,001x + 0,004x + 0,240x + 5; R =0,333 – Ель,
(7)
3
2
2
отн = 0,001x - 0,037x + 0,296x + 4; R =0,603 – Сосна,
(8)
где отн – относительный диаметр сучка; отн – относительная длина
сучка; х – высота ствола, на которой произведен замер, м.
1,1
Относительная длина
сучка
Относительный диаметр
сучка
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0
6
12
Высота, м
18
Сосна
Ель
Рис. 3 Зависимость относительного диаметра
сучка от высоты ствола, на которой
произведен замер
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0
6
12
18
Высота, м
Сосна
Ель
Рис. 4 Зависимость относительной длины
сучка от высоты ствола, на которой
произведен замер
11
На рис. 5 и 6 представлены графики зависимости количества сучков в
годовом приросте по высоте ствола и в мутовке от высоты ствола, на которой
произведен замер. Как видно из графика, представленного на рис. 5,
количество сучков в годовом приросте ели возрастает от значения 3,8 (самый
нижний замер) до 6,3 на высоте 6 м, после чего уменьшается до значения 3,3
на высоте 18 м. Количество сучков в годовом приросте сосны значительно
меньше, чем у ели. На высоте самого нижнего замера значение этого
показателя для сосны равно 2,3, и оно увеличивается до значения 4,0 на
высоте 12 м, после чего вновь незначительно убывает до 3,3 (18 м).
График зависимости количества сучков в мутовке от высоты, на
которой был произведен замер (рис. 6), во многом повторяет зависимость
количества сучков в годовом приросте от высоты замера, но характеризуется
более низкими значениями показателя, поскольку не учитывает сучков,
образовавшихся вне мутовок. Показатель количество сучков в мутовке ели
возрастает от значения 3,3 в самом низу до 4,7 на высоте 6 м, после чего
уменьшается до значения 3,3 на высоте 18 м. Количество сучков в мутовке
сосны значительно меньше, чем у ели. На высоте самого нижнего замера
значение этого показателя для сосны равно 2,3, и оно увеличивается до
значения 3,7 на высоте 12 м, после чего вновь убывает до 3,3 на высоте 18 м.
Зависимость количества сучков в годовом приросте и в мутовке от высоты
ствола, на которой произведен замер, описывается уравнениями регрессии:
гп = -0,027x2 + 0,437x + 3,966; R2=0,3788 – Ель,
гп = -0,002x3 + 0,048x2 - 0,148x + 2,4; R2=0,267 – Сосна,
м = -0,0005х3+ 0,0023x2 + 0,1852x + 3,75; R2=0,206 – Ель,
м = -0,0021х3+0,0481x2 – 0,1481x + 2,4; R2=0,267 – Сосна,
(9)
(10)
(11)
(12)
где гп – количество сучков в годовом приросте;
м – количество сучков в
мутовке; х – высота ствола, на которой произведен замер, м.
Количество крупных сучков
в мутовке
Количество сучков в
годовом приросте по высоте
ствола
7
6
5
4
3
2
0
6
12
Высота, м
Сосна
Ель
18
Рис. 5 Зависимость количества сучков в
годовом приросте от высоты ствола, на
которой произведен замер
5
4
3
2
0
6
Сосна
12
Высота, м
18
Ель
Рис. 6 Зависимость количества сучков в
мутовке от высоты ствола, на которой
произведен замер
12
На рис. 7 представлен график зависимости угла наклона сучка
относительно оси ствола от высоты ствола, на которой был произведен замер.
Из графика видно, что изменение этого показателя для сосны и ели имеет
противоположный характер: у сосны он убывает от 50° до 33° по высоте
ствола до отметки 6 м, после чего плавно возрастает до 70° на высоте 18 м;
угол наклона сучка относительно оси ствола у ели возрастает от 33° до 56°
вверх по стволу до отметки 6 м, после чего снижается до 27° на высоте 18 м.
Зависимость угла наклона сучка от высоты ствола, на которой
произведен замер, описывается уравнениями регрессии:
α = 0,025x3 - 0,906x2 + 7,668x + 34,61; R2=0,362 – Ель,
α = 0,008x3 + 0,113x2– 3,636x + 49,19; R2=0,760 – Сосна,
(13)
(14)
80
Количество сучков в
годовом приросте, шт.
Угол наклона сучка, град.
где α – угол наклона сучка относительно оси ствола, град; х – высота
ствола, на которой произведен замер, м.
Низкое значение коэффициента регрессии R2 объясняется большой
изменчивостью характеристик макроскопического строения древесины.
Исследования показателей макроскопического строения древесины
выявило их существенное отличие для сосны и ели, что является основанием
полагать, что эти породы могут быть идентифицированы на основе
представленных признаков. Задача идентификации пород в работе решена
тремя математико-статистическими методами. Анализ данных показал, что
для идентификации сосны и ели достаточно использование диаграмм
боксплот (рис. 8) и метода главных компонент (рис. 9). На представленной
боксплот диаграмме «количества сучков в годовом приросте по высоте
ствола» видно, что диапазоны варьирования этого показателя для сосны и ели
не накладываются, и сильно отличаются по значениям медиан (11 и 33
соответственно), нижних квартилей (8 и 29), верхних квартилей (16 и 49),
максимумов (20 и 59) и минимумов (5 и 25).
70
60
50
40
30
20
0
6
12
18
Высота, м
Сосна
Ель
Рис. 7 Зависимость угла наклона сучка от
высоты ствола, на которой произведен замер
Рис. 8 Диаграмма боксплот «количество
сучков в годовом приросте»
13
Сосна
Ель
Ель
Сосна
Рис. 9 Диаграммы метода главных компонент
На рис. 9 приведены две диаграммы метода главных компонент, облака
данных результатов измерений для двух пород не пересекаются, а значит, все
результаты измерений могут быть разделены на две группы – сосна и ель.
При увеличении числа идентифицируемых пород до пяти применение
диаграмм боксплот и метода главных компонент оказалось недостаточным,
поэтому применен дополнительный математико-статистический метод «дерево классификации». Результаты показали, что данный метод позволяет с
высокой точностью идентифицировать породы (Рис. 10). Метод
идентификации пород по макроскопическим характеристикам с помощью
компьютерной томографии может быть использован в случаях, когда
заготовка бревен ведется без учета породы, а сортировка по породам
производится на лесопильном производстве. Используя этот метод можно
разделять породы по макроскопическим признакам.
Рис. 10 Дерево решений для пяти пород (сосна обыкновенная (С), ель норвежская (Е),
пихта дугласова (ПД), лиственница (Л), пихта белая (ПБ))
14
Четвертый раздел, «Исследование ювенильной древесины сосны и
ели», направлен на изучение свойств ювенильной древесины и разработку
рекомендаций по ее исключению из пиломатериалов.
Результаты исследований усушки древесины показали, что у сосны
(ели) в пределах первых 10 (20) годичных слоев происходит увеличение
радиальной и тангенциальной усушки, и снижение радиальной, после чего в
зоне зрелой древесины усушка по всем трем направлениям стабилизируется.
Данное изменение усушки может инициировать развитие внутренних
напряжений и коробление пиломатериалов в процессе сушки, и негативно
влияет на прочность пиломатериалов. Исследование изменения толщин
годичных слоев (рис. 11) и процентного содержания в них поздней древесины
(рис. 12) по радиусу позволило установить границу между ювенильной и
зрелой зонами ствола, которая располагается в местах наибольшего перепада
этих показателей, выявить бревна с «явно выраженной» ювенильной зоной и
определить ее радиус.
Рис. 11 Изменение толщин годичных слоев сосны (слева) и ели (справа)
Рис. 12 Содержание поздней древесины в годичных слоях сосны (слева) и ели (справа)
Бревна с «явно выраженной» ювенильной зоной характеризуются
годичными слоями толщиной превышающей 5 мм и/или содержанием
поздней древесины менее 0,2 в центральной части ствола, что отрицательно
15
сказывается на прочности пиломатериалов и не
допускается при
изготовлении конструкционных пиломатериалов согласно СП 6413330.2011.
Из графиков, представленных на рис. 11 и 12 видно, что среди измеренных
значений ширин годичных слоев имеется значительное количество таких,
которые превышают 5 мм, и что среди всех годичных слоев много таких, в
которых содержание поздней древесины меньше 0,2.
Результаты исследований показали, что количество бревен сосны (ели) с
явно выраженной ювенильной зоной составило 57% (35%) согласно
максимальной допустимой ширине годичного слоя, и 87% (30%) - согласно
минимальному допустимому содержанию поздней древесины в годичных
слоях. В бревнах с явно выраженной ювенильной древесиной широкие
годичные слои с низким содержанием поздней древесины у сосны
встречаются до 19 годичного слоя, у ели – до 27, что соответствует
центральной области ствола близкой к кругу радиусом 38 мм и 61 мм.
Пятый раздел, «Обоснование целесообразности внедрения результатов
исследования», направлен на обоснование необходимости учета
макроскопических характеристик древесины, полученных компьютерной
томографией, при выборе рационального способа раскроя.
Из результатов исследования видно, что компьютерная томография
позволяет из всех бревен выделить те, которые характеризуются «явно
выраженной» ювенильной зоной. Из их схем раскроя на пиломатериалы
следует исключить центральную зону с размерами, охватывающими
ювенильную зону (130,1 130,1мм – для еловых брёвен и 78,3 78,3 мм – для
сосновых). Полученные брусья, бруски, доски могут быть использованы для
изготовления продукции с менее высокими требованиями к древесине по
сравнению с конструкционными пиломатериалами.
Измерение показателя «угол наклона сучка относительно оси ствола»
(рис. 13) компьютерной томографией при известном диаметре сучка
позволяет определять его размеры на поверхности пиломатериалов при
планировании раскроя, а также регулировать их посредством поворота бревна
относительно постава пил с помощью поворотного устройства (рис. 14).
Рис. 13 Угол наклона сучка
относительно оси ствола
Рис. 14 Изменение поперечного размера при повороте
бревна относительно пил
Показатели «количество сучков в годовом приросте» и «количество
сучков в мутовке» характеризуют сучковатость бревна и характер
16
распределения сучков в нем, что может использоваться на этапе сортировки
пиловочника по качеству и назначению. Исследование показало, что эти
показатели отличаются незначительно: у сосны они практически равны, у ели
незначительно разнятся вследствие присутствия некоторого количества
мелких сучков. Измерение показателей «длина годового прироста» и
«количество годовых приростов в 1 м» отражают протяженность зоны
древесины, находящейся между мутовками, свободную от сучков, что
позволяет оценивать целесообразность использования пиловочника для
получения короткомерных заготовок, образующихся в результате вырезки
сучков, для сращивания на зубчатый шип. При изготовлении мебельного щита
этот показатель является важным, поскольку шипорезные станки имеют
ограничение по минимальной длине обрабатываемой заготовки. При
изготовлении клееных конструкций для обеспечения прочности элементов
также существует ограничение по минимально допустимой длине заготовок
(минимальная длина ламелей для склеивания по длине: 600 мм для классов
функционального назначения 1а, 1б, 2а, не менее 300 мм для классов 2б и 3б).
Оценка размера бессучковой зоны ствола может быть произведена по
показателю «относительная длина сучка». Чем меньше значение этого
показателя, тем меньше конус зарастания сучков в стволе и толще
бессучковая зона. «Относительная длина сучка» и «относительный диаметр
сучка» могут служить для определения положения пиловочника в стволе:
комлевое, срединное или вершинное (чем ближе к основанию ствола, тем эти
показатели меньше, чем ближе к вершине, тем их значения выше).
Экономический эффект достигается за счёт повышения точности
сортировки пиловочника по сортам качества и назначению, высвобождении
оборотных средств за счет исключения бревен с низкими физикомеханическими характеристиками и явно выраженной ювенильной зоной,
учета макроскопического строения древесины, отказа от измерительных
установок на участке сортировки пиловочника по размеру, снижения влияния
сучков на качество пиломатериалов.
Годовой эффект от внедрения метода сортировки бревен с
использованием метода компьютерной томографии может достигать от 600 до
1200 руб./м3 за счет перехода досок из низкого сорта качества в более
высокий.
17
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Теоретически и экспериментально обоснована необходимость и
целесообразность учета макроскопического строения каждого пиловочного
бревна при планировании его раскроя в производстве пиломатериалов.
2. Компьютерная томография как метод оценки древесины в технологическом
потоке позволяет определять признаки макроскопического строения
необходимые как для идентификации породы древесины, так и для
повышения объемного и качественного выхода пиломатериалов.
3. В результате исследования структуры древесины введены дополнительные
макроскопические характеристики, дано математическое описание их
изменения по высоте ствола, разработан метод идентификации пород по этим
признакам с помощью компьютерной томографии, доказана эффективность
методов боксплот, главных компонент и дерево классификации для
сортирования пиловочника по породам.
4. Введение дополнительных признаков макроскопического строения
древесины: длина годового прироста по высоте ствола; количество годовых
приростов по высоте ствола; относительный диаметр сучка; относительная
длина сучка; количество сучков в годовом приросте по высоте ствола;
количество сучков, состоящих в мутовке; угол наклона сучка относительно
оси ствола; уровень тоновой градации серого цвета; относительная толщина
коры; угол наклона сучка в начальной точке его роста; степень изогнутости
сучка, позволяет повысить качество пиломатериалов, путем соответствующей
ориентацией пиловочника относительно пил.
5. В ювенильной зоне радиальная и тангенциальная усушка древесины
больше, чем в зрелой зоне, а продольная - меньше. Различие усушки на
границе ювенильной и зрелой древесины приводит к появлению больших
внутренних напряжений в переходной зоне, что может привести к
разрушению древесины. Вот почему необходимо исключать ювенильную зону
из пиломатериалов, к которым предъявляют повышенные требования
прочности.
6. Ювенильная древесина может быть выявлена методом компьютерной
томографии на основе демаркации ювенильной и зрелой зон в стволе по
изменению ширины годичных слоев и содержанию в них поздней древесины.
7. Использование количественных характеристик признаков макростроения
древесины и ее ювенильной зоны в процессе сортировки пиловочных бревен и
при обосновании индивидуальных схем раскроя пиловочника на
пиломатериалы позволяют повысить эффективность лесопиления на крупных
лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях. Экономический эффект
может достигать от 600 до 1200 руб./м3.
18
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Статьи в ведущих рецензируемых журналах
1. Бахшиева М.А., Чубинский А.Н. Анализ строения и свойств ювенильной
древесины. Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии
вып. 215. СПб.: СПбГЛТУ, 2016, с. 202-214.
2. Лонгитюд Ф., Моте Ф., Бахшиева М.А., Чубинский А.Н., Тамби А.А.,
Шарпентье П., Бомбардье В. Исследование процесса идентификации
древесных пород по макроскопическим признакам с использованием
компьютерной томографии. Известия Санкт-Петербургской лесотехнической
академии вып. 202. СПб.: СПбГЛТУ, 2013, с. 158-167.
3.Чубинский А.Н., Тамби А.А.,Хитров Е.Г., Чаузов К.В., Швец В.Л., Бахшиева
М.А., Быков Д.Ю. Обоснование объемного выхода конструкционных
сосновых и еловых пиломатериалов. Известия Санкт-Петербургской
лесотехнической академии-СПб:СПбГЛТУ,2016.№214,c.247-259.
4. Чубинский А.Н., Тамби А.А., Теппоев А.В., Ананьева Н.И., Семишкур С.О.,
Бахшиева М.А. Физические неразрушающие методы испытаний и оценки
структуры древесных материалов. Дефектоскопия, № 11. М.: РАН, 2014. No.
11, с. 76–84.
Chubinskii A.N., Tambi A.A., Teppoev A.V., Anan’eva N.I., Semishkur S.O.,
Bakhshieva M.A. Physical nondestructive methods for the testing and evaluation of
the structure of wood-based materials. ISSN 1061-8309, Russian Journal of
Nondestructive Testing, 2014, Vol. 50, No. 11, pp. 684–691.
Публикации в прочих изданиях
5. Бахшиева М.А. Особенности строения ювенильной древесины, влияющие
на качество пиломатериалов. Современные проблемы переработки древесины.
Материалы международной научно-практической конференции. СПб:
СПбГЛТУ. 2015. – с. 15-26.
6. Тамби А.А., Шимкевич Ю.А., Бахшиева М.А., Прокофьев М.И.
Использование
современных
методов
прогнозирования
свойств
пиломатериалов на этапе сортировки пиловочных бревен. Сборник
материалов международной научно-практической конференции молодых
ученых. СПб: СПбГЛТУ, 2012. – с. 141 – 145.
7. Чубинский А.Н., Тамби А.А., Бахшиева М.А. Использование методов
томографического анализа для оценки внутренней структуры круглых
лесоматериалов. Актуальные проблемы и перспективы развития
лесопромышленного комплекса. Кострома: КГТУ, 2012. с.49-51.
8. Бахшиева М.А., Чубинский А.Н. Строение и свойства ювенильной
древесины. Современные проблемы биологического и технического
древесиноведения. Сборник трудов I международной научно-практической
конференции. Йошкар-Ола: ПГТУ, 2016. – c. 24-27.
9. Чубинский А.Н., Тамби А.А., Бахшиева М.А. Средства неразрушающего
контроля качества древесины. ЛесПромИнформ. Вып. 4. СПб. 2013, с. 98-100,
Вып. 5. СПб.2013, с. 102-105, Вып. 6. СПб. 2013, с. 84-86.
10. Longuetaud F., Mothe F., Charpentier P., Bombardier V., Chubinsky A.N.,
Bakhshieva M.A. Identification of wood species by using computed tomography.
19
9th International conference on production engineering. Budva, Crna Gora: Bihac
University. - 2013.-рp. 725-730
Просим принять участие в работе диссертационного Совета или
прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными
подписями по адресу: 194121, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, СанктПетербургская государственная лесотехническая академия им. С.М. Кирова,
Ученый совет. Факс: (812) 550-07-91.
20
БАХШИЕВА МАРИЯ АБИДОВНА
АВТОРЕФЕРАТ
Подписано в печать с оригинал-макета 30.03.17.
Формат 6084/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.
Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 43. С 4а.
Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет
Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТУ
194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3
21
БАХШИЕВА Мария Абидовна
ФОРМИРОВАНИЕ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ МАКРОСКОПИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
ДРЕВЕСИНЫ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ
05.21.05 – Древесиноведение, технология
и оборудование деревопереработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2017 г.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
836 Кб
Теги
0d2fbc303f, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа