CC BY
60
УДК 630*811.112
П. М. Мазуркин, Е. Б. Темнова
ОТБОР РЕЗОНАНСНОЙ ДРЕВЕСИНЫ ПОЛЕНЬЯМИ
Ключевые слова: поленья, ультразвук, параметры, резонансная древесина.
Предложен способ отбора резонансной древесины по патенту № 2334984 на изобретение, основанный на измерении скорости звука на поленьях в тангенциальном направлении волокон. Параметры ультразвука позволяют сертифицировать поленья, высушенные после расколки дровяных кряжей. Для точечного контакта с поверхностями полена применены на датчики конусные насадки. Предлагаемые методики измерений и моделирования позволяют выявить погрешность показаний ультразвукового прибора Пульсар - 1.0 при рациональной форме и размерах конусных насадок.
Keywords: logs, ultrasound, parameters, resonant wood.
A method for the selection of resonance wood under patent number 2334984for the invention, based on measuring the speed of sound on logs in the tangential direction of the fibers. Options allow you to certify the ultrasound logs have been dried after splitting wood ridges. For a point of contact with the surfaces of logs used in the sensor cone nozzle. The proposed method of measurement and simulation can you reveal, the readings of the ultrasonic instrument Pulsar -1.0 in rational form and size of cone nozzles.
Резонансная древесина является уникальным и редким материалом. Акустические свойства у неё зависят от многих факторов, технологических особенностей, связанных с лесозаготовкой и деревообработкой. Существующие способы отбора резонансной древесины основываются на анализе косвенных признаков и на разрушающих (частично разрушающих) способах. Анализ существующих способов [1] показал, что диагностика и отбор резонансных кряжей основываются на плотности, модуля упругости, скорости ультразвука, акустической константы, потерь энергии на внутреннее трение.
Для этого требуется совершенствование процессов изготовления поленьев с дополнением операций отбора из них резонансной древесины. Это можно реализовать непосредственно на существующих участках расколки дров или же на складах древесины, а также в цехах первичной обработки древесины.
Цель статьи - совершенствование процессов отбора резонансной древесины ели и березы на участках расколки дров лесных предприятий и потребителей древесины на основе выявления и применения в диагностике поленьев закономерностей изменения акустических показателей.
Вначале были испытаны конусные насадки на датчиках; экспериментально обоснован предложенный способ по патенту [2].
При дискретном перемещении вдоль продольной оси полена 6 (рис. 1) вдоль линий 7 и 8 относительно опорной поверхности 1 выполняются по три измерения излучателем 3 и приемником 4 ультразвуковых колебаний. Датчики устанавливаются на стойках 2. Измерения проводят по краям и в середине вдоль продольной оси полена, что позволяет повысить точность измерений.
Тангенциальное направление древесины как анизотропного материала оказывается наименее вариабельным по сравнению с радиальным и продольным направлениями волокон.
Для достижения наилучшего контакта с неплоскими поверхностями были разработаны и прове-
рены пять пар конусных насадок на датчики ультразвукового прибора и выбрана пара конусных насадок оптимальной формы (рис. 2).
Рис. 1 - Схема ультразвукового испытания полена
Рис. 2 - Конусная насадка № 2
Конусные насадки на датчики излучателя и приемника ультразвукового прибора Пульсар - 1.0 обеспечивают точечный контакт [3]. Для достижения максимального контакта датчиков с конусными насадками применяли техническое вазелиновое масло по ГОСТ 6990-75.
І2І
Для выявления погрешности проведены дополнительные исследования на эталонном образце из органического стекла заводского изготовления и на стандартном образце из древесины ели, размером -300x20x20 мм., в продольном и тангенциальном направлениях, при помощи ультразвукового прибора Пульсар - 1.0.
Скорость УЗК имеет основное значение при дальнейших расчетах всех остальных показателей для определения свойств древесины. Визуальные результаты представлены в трехмерных графиках (рис. 3).
8500 8000 7500
_о
7000 2 6500 |3
О
6000 а 5500 £
5000 * л»
Береза
10000
_о 2 Л
н
о с & о * С
Ель
Рис. 3 - Зависимость показаний скорости УЗК от азимута а и места расположения кряжей в стволе дерева Н
В трехмерных графиках, (рис. 3), сравнивая две породы древесины по свойствам видно, что скорость УЗК в поленьях ели выше, но березовые поленья имеют более ровную поверхность графика, что указывает на однородное строение древесины березы.
Однородность и значения акустической константы можно увидеть на рис. 4.
Считается, что акустическая константа является определяющим фактором при выборе резонансной древесины с наилучшими акустическими свойствами. Но нужно учитывать и однородность её значений.
Акустическая константа в поленьях ели имеет в среднем 11 - 15 м4/(кг-с), что определяет поленья как резонансную древесину. Древесина березы имеет показатели 7,5 - 12,5 м4/(кг-с), но для древесины этой породы это значение достаточно, как материала для изготовления крепежных деталей музыкальных инст-
рументов. Самый высокий показатель наблюдается на поленьях из кряжей на уровне 2,5 - 3,0 м от корневой шейки, что указывает на наилучшие резонансные свойства древесины выше общепринятого уровня
1,3 м.
Ель
Рис. 4 - Показания акустической константы К при определенном азимуте а и месте расположения кряжей в стволе дерева Н
Таблица 1 - Затраты на приборы и оборудование
№ п/п Наименование Ед. изм. Коли- чество Стоимость, руб.
1. Ультразвуковой прибор «Пульсар-1.0» шт. 1 80 000
2. Весы настольные циферблатные РН-10Ц13У шт. 1 4 200
3. Компьютер с принтером шт. 1 35 000
4. Линейки, штангенциркули и другое оборудование комплект 1 1 000
Всего: 120 200
Акустическое сопротивление, как и акустическая константа, в древесине березы уменьшается к северной стороне кряжа и в среднем равно 5,56 кг/(м-с). На поленьях ели этот показатель колеблется в пределах 3,56 - 4,06 кг/(м-с).
Для проведения ультразвуковых исследований на поленьях, создана лаборатория. Затраты на
оборудование ультразвуковой лаборатории приведены в таблице 1 (цены указаны на февраль 2010 г.). Эти приборы и оборудование широко распространены, доступны и просты в эксплуатации.
Средневзвешенный процент выхода продукции: колотых балансов, дров и резонансных поленьев рассчитаны два варианта, отличающиеся объёмом резонансных поленьев (табл. 2).
Таблица 2 - Средневзвешенный процент выхода резонансной древесины поленьями
Пропускная способность линии составляет около 120 - 140 м3 в смену (по сырью), в том числе 80 - 90 м3, перерабатываемых в колотые балансы (технологические поленья), и 40 - 60 м дров (топливные поленья) [4]. Средневзвешенный процент выхода технологических поленьев во втором варианте на 1,7 % меньше, чем в первом (топливные поленья - неизменны). По данным таблицы 2 была рассчитана производственная мощность в смену для всех видов продукции, исходя из пропускной способности линии в смену, принятой за 120 м3.
Огромные ресурсы дровяной древесины высвобождались постепенно из национального хозяйства России по многим причинам. Главными из них являются:
1) снижение доли высококачественных хвойных лесов, замена хвойных древостоев на лиственные породы деревьев на крупных вырубках;
2) из-за глобального потепления и снижения глубины грунтовых вод многие ельники приобрели корневую гниль, что во многих случаях превращает комлевые сортименты на предприятиях в технологические дрова;
3) более 10 лет продолжается крупномасштабная газификация малых городов, а также сел и деревень в отдаленных лесных глубинках, что привело к резкому росту объемов топливных дров, а производство на экспорт топливных гранул еще не приобрело достаточных масштабов.
Таким образом, новым направлением лесного производства вполне может стать отбор резонансной древесины поленьями, в том числе и на экспорт.
Как показали экономические расчеты, дополнение существующей технологии расколки дров, причем даже с сердцевинной гнилью на станках типа Н-8 и Н-10, на поленья является выгодным мероприятием. При этом будут возрождаться цеха о переработке дровяных хлыстов, долготья и сортиментов. Для отбора в дровяных и столярно-раскроечных цехах малообъемных лесных предприятий выделяются небольшие помещения для создания лаборатории ультразвуковых испытаний древесины на поленьях. Достоинством предложенного нами способа является также и то, что ультразвуковые приборы Пульсар - 1.0 изготовляются массово на отечественных приборостроительных предприятиях, которые могут изготовлять и конусные насадки.
Из-за полной газификации России резко снизилось потребление топливных дров, а спад производства на лесопромышленных предприятиях привел к снижению использования технологических дров. При этом многие производства по расколке дровяных и технологических кряжей и чураков на поленья были ликвидированы. Однако имеются громадные возможности экспорта резонансной древесины поленьями, если на новых технологиях ультразвукового отбора поленьев организовать на существующих и новых малообъемных лесопромышленных производствах небольшие участки для расколки дров.
Литература
1. Темнова, Е.Б. Применение ультразвука в определении резонансных свойств древесины поленьев / Е. Б. Темнова // Успехи современного естествознания. -2009. - №8. С.8-15.
2. Пат. 2334984 Российская Федерация, МПК О 01 N 33/46.
Способ ультразвукового испытания поленьев резонансной древесины / Мазуркин П.М., Темнова Е.Б.; заявитель и патентообладатель Марийск. гос. тех. ун-т. -№
2006126506/12; заявл. 20.07.2006; опубл. 27.09.2008, Бюл. № 27.
3. Мазуркин, П.М., Темнова, Е.Б. Время распространения ультразвуковых колебаний через конусные насадки в эталонном образце из оргстекла / П. М. мазуркин, Е. Б. Тем-нова // Казанская наука. - 2010. - №1. С. 23-28.
4. Залегаллер, Б.Г., Ласточкин, П.В. Механизация и автоматизация работ на лесных складах / Б. Г. Залегаллер, П. В. Ласточкин. - М.: Лесная промышленность, 1973. -408 с.
№ п/п Наименование Ср. взв. % выхода
1 вариант 2 вариант
1. Технологические поленья 64,2% 62,5%
2. Топливные поленья 32,5% 32,5%
3. Резонансные поленья 3,3% 5,0%
© П. М. Мазуркин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. природообустройства Марийского государственного технического университета, [email protected] ; Е. Б. Темнова - асс., соискатель той же кафедры.
