CC BY
132Resources and Technology 11 (2): 152-161, 2014 ISSN 2307-0048
http://rt.petrsu.ru
УДК 67.05
DOI: 10.15393/j2.art.2014.3001 Статья
Переработка короткомеров осины на дранку в условиях лесопромышленного склада
Алексей Ю. Борисов 1'*, Геннадий Н. Колесников 2
1 Место работы, адрес; МИП «Энергоэффективное домостроение», Петрозаводск, Россия (185910, Петрозаводск, пр. Ленина, 31). E-Mails: balexey13@ya.ru
2 Место работы, адрес; ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», Петрозаводск, Россия (185910, Петрозаводск, пр. Ленина, 33. ПетрГУ)
* Автор, с которым следует вести переписку; E-Mail: balexey13@ya.ru; Tel.: +7(8142)711039; Fax: +7(8142)711000.
Получена: 15 ноября 2014 /Принята:27 ноября 2014 /Опубликована: 20 декабря 2014
Аннотация: Осина, являясь одной из быстро растущих и легко размножающихся пород, часто остается невостребованной лесопромышленными предприятиями по причине сильного поражения гнилью. Целью данного исследования является изучение возможностей переработки древесины осины в условиях лесопромышленного склада для производства кровельных материалов. Дранка -деревянная черепица, при соблюдении определенных условий эксплуатации может стать конкурентоспособным строительным материалом, обладающим экологичностью и относительной долговечностью. Дополнительно, с целью оптимизации производственных и энергетических затрат, предложено усовершенствование технология раскалывания обрезков бревен, подлежащих переработке, с использованием лезвия колуна искривленной формы. Максимального выхода целевого кровельного материала можно добиться с оптимизации схемы раскроя короткомеров. Для повышения технологических и потребительских качеств дранки, представляется возможным разработки и использования панельных конструкций. С учетом изложенного выше, можно заключить, что рациональное использование древесины осины является комплексной проблемой, требующей продолжения исследований.
Ключевые слова: рациональное природопользование, древесина осины, использование короткомерного баланса, производство дранки, раскалывание круглых лесоматериалов, раскрой.
Article
DOI: 10.15393/j2.art.2014.3001
The cutting of shingles from the short aspen logs in warehouse timber industry
Alexey Borisov 1'*, Gennady Kolesnikov 2
1 »"Energy efficient building construction" Ltd, 185910, Lenin av. 31, Petrozavodsk, Russia; EMails: balexey13@ya.ru (A. B.)
2 Petrozavodsk State University, Petrozavodsk, Russia
* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: balexey13@ya.ru; Tel.: +7(8142)711039; Fax: +7(8142)711000.
Received: 15 November 2014 /Accepted: 27 November 2014 /Published: 20 December 2014
Abstract: Aspen is one of the fastest-growing and easy to breed species. And often it remains unclaimed timber companies because of the strong defeat rot. The purpose of this article to investigate the possibilities of processing aspen wood in a timber warehouse for the production of roofing materials. For this review, the typical scheme of the enterprise was supplemented with the process for the manufacture of shingles. Wooden shingles with right conditions of maintenance can become a competitive building material with eco-friendliness and the relative durability. Additionally, in order to optimize production and energy costs, improvements in technology suggested splitting scraps of logs to be processed by a cleaver blade curved shape. The maximum volume of the roofing material can be achieved by optimizing cutting plans shorts. To increase the technological and consumer quality shingles, it is possible the development and use of panel designs. We can conclude that the rational use of aspen wood is a complex problem that requires further research.
Keywords: environmental management, aspen wood, the use of short-length balances, production of shingles, splitting roundwood cutting
1. Введение
Осина является одной из лесообразующих, быстро растущих, и легко размножающихся пород. Уже на второй год коневые отпрыски и пневая поросль позволяют занимать ей свободные площади на вырубках. Запасы осиновой древесины составляют 2.6 млрд. м3, а ежегодный прирост в насаждениях первого класса составляет 2,9...3,9 м3 с га. Тем не менее, осина всегда имела ограниченный спрос, как на внутреннем, так и на внешнем рынке [1; 4] по причине малого выхода пиломатериалов. В настоящее время ее применение в строительстве очень часто ограничивается производством древесно-стружечных плит и отделкой помещений с высокой влажностью.
2. Материалы и методы
Как показали последние исследования СПбГЛТА, решением проблемы использования осины является ее комплексная переработка, направленная на производство строительных материалов на базе безотходной экологически чистой первичной переработки древесины, целлюлозы, гранулированных и брикетированных топливных элементов [1; 9; 12].
Одним из целевых строительных материалов может стать деревянная черепица или дранка, получившая широкое распространение в России в качестве кровельного материала начиная с середины XIX века [8]. В настоящее время применение осиновой дранки в качестве подвергается многочисленным сомнениям [2]. Если заказчик и решается на устройство архитектурно-выразительной, экологичной деревянной крыши, то используются более дорогие древесные породы, такие как кедр или сибирская лиственница [17]. Тем не менее, интерес к применению осиновой дранки не исчезает, что обусловлено ее уникальными свойствами, которыми обладает эта древесина.
С течением времени, в условиях атмосферной сушки, осина набирает прочность -древесина «каменеет». В таком состоянии кровельное покрытие способно выдерживать природно-климатические изменения - воздействие солнца, ветра, перепадов температур и увлажнения. В случае проникновения влаги в толщу материала он быстро высыхает ввиду небольшой толщины отдельных элементов и хорошей циркуляции воздуха между ними [8; 16; 17]. Срок службы такой кровли при правильном конструктивном исполнении и поддерживании правильных условий эксплуатации может достигать 80 лет [8]. Но как любая деревянная конструкция, драночная кровля может быть подвержена возгоранию. Кроме того, отличается трудоемкостью при изготовлении, ремонте и демонтаже (в случае пожара). Поэтому одним из возможных путей развития технологий использования осины может стать разработка кровельных щитовых панелей на основе дранки и древесно-стружечных плит с предварительной атмосферной сушкой и пропиткой антипиренами. Борьба с возможными биоповреждениями заключается лишь в грамотной эксплуатации, прежде всего в своевременной чистке и ремонте.
Основным сырьем для производства осиновой дранки служат отрезки бревен длиной от 30 см., образующиеся после поперечного раскроя круглых лесоматериалов.
Основы особенностей технологий заготовки осины и ее переработки на дранку, геометрические размеры и другие характеристики являются предметом всестороннего изучения, специалистов, занимающихся непосредственным применением этого материала на практике и узкого круга мастеров в области реставрации исторических деревянных конструкций [4; 19].
В Германии, где деревянные кровли получили широкое распространение, существуют нормы DIN 68119:1996-09, описывающие основные параметры кровель из деревянной
черепицы, формы, инструменты, способы монтажа. В этих нормах уделяется отдельное внимание и самой древесине. Так, к примеру, угол наклона годовых колец к поверхности дощечки (дранки) должен находиться в пределах от 30 до 90 градусов [17; 20], что логично соответствует показателям пиломатериалов при радиальном и полурадиальном разрезе [11; 13] бревен (Рисунок.1).
Рисунок 1. а - допустимое (а) и недопустимое (б) положение годовых колец по
отношению к поверхности дранки.
Указанные виды разрезов, в отличие от тангенциального, являются более предпочтительными, что обусловлено большей формоустойчивостью изделий, так как усушка и разбухание при изменении температурно-влажностных показателей происходят преимущественно в радиальной плоскости [11].
Элементы дранки, находящиеся на поверхности покрытия, вследствие атмосферных осадков, испытывают периодическое воздействие влаги. При намокании дощечки разбухают и смыкаются, образуя водонепроницаемую поверхность. При высыхании снова размыкаются, не позволяя влаге скапливаться в подкровельном пространстве [16].
Таким образом, для производства качественной дранки, применение которой допустимо в качестве кровельного материала, необходимо использовать отрезки бревен длиной 30-50 см., диаметром от 20 см, в меньшей степени подверженные гнили, с небольшой свилеватостью и минимальным количеством сучков. Это позволит получить дощечки по направлению радиального разреза («раскола») требуемой ширины 80-120 мм.
3. Результаты
Переработка осины - комплексный процесс. Использование ее древесного сырья для производства кровельных материалов, полученного при проведении рубок ухода или разработке делянок в лесах целевого назначения, может быть организовано на базе лесопромышленного склада или деревоперерабатывающего предприятия, случае, когда хлысты (или деревья) вывозятся непосредственно на склады потребителей.
Если из-за дальности перевозок непосредственная доставка леса оказывается экономически нецелесообразной и лесопромышленные склады лесозаготовительных предприятий преобразуются в небольшие лесопромышленные комплексы, то производство дранки может быть организовано в рамках частичной переработки древесины, на базе мобильной системы машин [10].
В общем случае производство дранки встраивается в технологических процесс по переработке низкокачественной древесины и короткомеров, образующихся после первичной обработки хлыстов, на дрова или в щепу (Рисунок.2). При этом возможна организация дополнительного участка по переработке древесины осины в дранку.
Рисунок 2. Типовая структурная схема технологического процесса лесопромышленного склада, дополненная группой операций по производству дранки
На данном участке поступающие коротье или сортименты невостребованной осины сортируются по степени поражения сердцевинной гнилью. Выбранные заготовки при необходимости пилят под один размер от 30-50 см.
Далее происходит раскалывание заготовок на 4-8 частей, для чего используются механические колуны. Лезвие в форме клина внедряется в древесину с торца, перемещаясь вдоль волокон. В колунах с подвижным клином последний может совершать поступательно-возвратное движение от кривошипно-шатунного механизма [6].
В целях повышения эффективности раскалывания заготовок представляется возможным использование колуна с лезвием искривлённой формы (Рисунок. 3). Функционирование такого колуна сопровождается появлением пары сил, которая вызывает кручение раскалываемого полена вокруг его продольной оси. В соответствии с принципом равенства действия и противодействия такая же пара сил стремится вызвать поворот лезвия колуна в противоположном направлении. Однако лезвие в нижней его части защемлено в материале полена и поэтому поворот лезвия невозможен. В этом случае под воздействием крутящего момента разрушается менее прочный материал, т.е. древесина раскалываемого полена. Таким образом, данный колун, на конструкцию которого была подана патентная заявка, обеспечивает дополнительное к расклиниванию, механическое воздействие в виде кручения.
Похожая конструкция, но на основе двух зеркально противоположных и смещенных относительно друг друга клиньев, была предложена авторами механического колуна по патенту РФ № 2486052 [18].
Примечательно, что такая форма лезвия, при соответствующей доработке, может быть применена не только в устройстве гидравлического или механического колуна, но и в обычном топоре.
Q Q
а) 6)
Рисунок 3. Схема раскола короткомерного баланса: а - колуном обычной формы; б - колуном искривленной формы.
С учетом описанных выше требований к изготавливаемой дранке (2; 19) и необходимостью рационального использования имеющегося сырья, возникает задача оптимального раскроя имеющихся заготовок с целью максимального выхода полезной продукции из одного сортимента. Разделка короткомеров производится по сегментам. После разделения заготовок на несколько частей (сегментов) выкалывается гниль, расположенная преимущественно в центральной части ствола. Для удаления гнили используется плоский горизонтально расположенный или кольцеобразный нож [6]. Полученные таким образом сегменты подвергаются строганию или лущению с целью получения непосредственно кровельного материала - дранки [2]. Для осуществления этой технологической операции могут быть использованы несколько видов инструментов и механических устройств [7]. В настоящее время они используются только узким кругом реставрационных и строительных организаций, ориентированных на ремонт существующих кровель объектов деревянного зодчества или малоэтажное деревянное домостроение.
Наиболее распространен станок конструкции С.А. Вавилова, запатентованный в 1947 году. Принцип его действия основан на движении каретки с ножом под заготовкой с помощью возвратно-поступательных движений. Готовая дранка падает вниз, а заготовка удерживается над кареткой с подпружинивающими пластинами. Сам станок приводится в действие двигателем посредством ременной передачи, передающим воздействие на шкив через вращающиеся маховики (Рисунок.4).
Рисунок 4. Станок для производства дранки 1947 г.
Современные станки являются производными от этой наиболее простой и одновременно производительной конструкции [14].
После получения сегмента путем радиального раскалывания отсортированного и опиленного короткомера становится возможным строгание дранки в радиальном направлении до тех пор, пока размер заготовки по наиболее длинной стороне сечения позволяет получать дощечки требуемой ширины 80-120 мм. Итоговое количество этих дощечек напрямую зависит от размеров перерабатываемого сегмента, а значит и от диаметра разделываемого короткомера, а также от наличия пороков древесины - гнили, сучков, свилеватости. Непосредственно на дранку удается использовать до 40 % древесины осины. Оставшаяся после строгания дранки часть заготовки может быть использована для производства щепы или оставлена в качестве дров.
Известно также, что отходы деревообрабатывающего производства могут достигать 45 -63%. Задача рационального использования этих отходов в рамках крупных предприятиях лесоперерабатывающего комплекса решается с применением технологий производства плитных материалов, паркета и биотоплива. Но для средних и мелких деревообрабатывающих и деревоперерабатывающих производств такие технологии могут оказаться нерентабельными по причине малой концентрации отходов на каждом отдельном предприятии. Поэтому в задачи производства, сырьевой базой которого являются как отходы и древесина малоценных пород, такая как осина, должен быть включен выпуск материалов и товаров с высокой добавленной стоимостью. На основе дальнейшей глубокой переработки отходов древесины осины могут быть получены, наряду с дранкой [2], нейтронозащитные материалы, детали узлов трения, древесные сорбенты для очистки водных сред [3].
80-120 мм
Рисунок 5. Схема раскроя короткомера (автор фото: А. Ю. Борисов).
4. Обсуждение и заключение
Таким образом, несмотря на низкую товарную значимость древесины осины, возможности ее использования на основании предложенных решений могут быть расширены в области производства экологичных кровельных материалов [2]. Относительная простота этого процесса позволяет встраивать его в схему работы типового лесопромышленного предприятия, независимо от способа ведения лесозаготовок. Группа операций по переработке короткомеров и низкокачественной древесины на дрова и технологическую щепу может быть дополнена процессом лущения или строгания дранки. В свою очередь технология раскалывания обрезков бревен может быть усовершенствована с применением лезвия искривленной формы. Максимального выхода целевого кровельного материала [2] можно добиться с оптимизации раскроя (Рисунок 5). Для повышения технологических и потребительских качеств дранки, представляется возможным разработки и использования панельных конструкций. С учетом изложенного выше, можно заключить, что рациональное использование древесины осины является комплексной проблемой, требующей продолжения исследований.
Работа выполнена рамках реализации комплекса научных мероприятий Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012-2016 г.г.
Литература
1. Авдашкевич, С. В., Патякин В. И. Проблемы использования осины в Северо-Западном регионе России / С. В. Авдашкевич, В. И. Патякин // Пятая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. СПб. 2000. С. 22 - 23
2. Борисов А. Ю. Древесина осины как материал для устройства кровли // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2014. - Т. 1. № 8 (145). - С. 87-90.
3. Бирман А. Р. Новые направления использования древесины осины и ее отходов / А. Р. Бирман, Н. А. Белоногова // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: Материалы международной научно-технической конференции 9-11 декабря 2008 г. / Вологодский государственный технический университет. Вологда: Изд-во ВоГТУ, 2009. С .65-66
4. Вахрамеева Т. И. Методические рекомендации. Приемы реставрации памятников деревянного зодчества. Раздел 1. Деревянные кровли. Петрозаводск, 2013. 48 с
5. Грязькин А. В. "Осиновая проблема" и пути ее решения / А. В. Грязькин, А. П. Смирнов, А. А. Смирнов. // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: Материалы международной научно-технической конференции 8-10 декабря 2009 г. / Вологодский государственный технический университет. Вологда: Изд-во ВоГТУ, 2010. С .25-27
6. Залегаллер Б. Г., Ласточкин П. В., Бойков С. П. Учебник для вузов. 3-е изд., испр., доп.— М.: Лесн. пром-сть, 1984.—352 с.
7. Зубарев Л., Литвинов В., Головань Г. Производство дранки / Л. Зубарев, В. Литвинов, Г. Головань // Сделай сам 1994№ 6 С. 78-82.
8. Нестеров Н.С. Значение осины в русском лесоводстве / 2 изд., М. 1894. 77 с.
9. Онегин В. И., Чубинский А. Н. Промышленное использование древесины осины -эффективное направление устойчивого управления лесами / В. И. Онегин, А. Н. Чубинский // Записки Горного института. Экология и рациональное природопользование. 2001г. Т. 149 . С.225 - 227
10. Патякин В. И., Салминен Э.О., Бит Ю.А. и др. Лесоэксплуатация: учебник для студ. высш. учеб. заведений М. 2006. 320 с.
11. Черных А.Г., Ильюшенков Л.В. Получение радиальных черновых заготовок // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2006. № 3. С. 46-51
12. Чубинский А. Н., Кандакова Е. Н., Щербаков В. М. Материалы из осины и технологии их изготовления / А. Н. Чубинский, Е. Н. Кандакова, В. М. Щербаков и др. // Лес и бизнес. 2006. № 1(21). С. 48-50
13. Шимевич Ю. Б. Справочник по лесопилению / Спб. «ПРОФИ-ИНФОРМ». 2004. 200 с.
14. Электронный ресурс: [http://www.stf-dvt.ru/catalogue/detail/ proizvodstva_dranki_gonta_shindelya/stanok_dlya_proizvodstva_kolotoj_dranki_shs-1500_italiya/] (дата обращения 1.12.2014).
15. Электронный ресурс: [http://holzschindeln.ru/nashi-proekty/item/198-skolkovo-2014.html] (дата обращения 1.12.2014).
16. Электронный ресурс: [http://karjalakelo.ru/artide/5] (дата обращения 1.12.2014).
17. Электронный ресурс: [http://www.krovlirussia.ru/rubriki/materialy-i-texnologii/moda-na-tradicii-krysha-iz-dereva-na-rynke-elitnyx-krovel] (дата обращения 1.12.2014).
18. Электронный ресурс: [http://www.freepatent.ru/patents/2486052] (дата обращения 1.12.2014).
19. Korjauskortisto KK19: Pärekatto. Museovirasto, Helsinki. 2002. P. 16
20. Holzschilden. DIN 68119:1996-09 // Deutsche norm. Berlin. 1996. P. 8
References
1. Avdashkevich, S.V., Patyakin V.I. Problems using aspen in the North-West region of Russia / S.V. Avdashkevich, V.I. Patyakin // Fifth St. Petersburg Assembly of Young Scientists and Specialists. St. Petersburg. 2000, pp 22 - 23
2. Borisov A. Yu. Aspen wood as roof construction material // Proceedings of Petrozavodsk State University Series: Natural & Engineering Sciences. 2014 - T. 1. № 8 (145). - p. 87-90.
3. Birman A. R. New uses of aspen wood and waste / A. R. Birman, N. A. Belonogova // Actual problems of forest sector development: Proceedings of the International Scientific and Technical Conference December 9-11, 2008 / Vologda State Technical University. Vologda Univ VSTU, 2009. .pp. 65-66
4. Vahrameeva T. I. Methodic recommendations. Methods of restoration of monuments of wooden architecture. Section 1. Wooden roof. Petrozavodsk, 2013. 48 p
5. Gryazkin A. V. "Aspen problem" and its solutions / A. V. Gryazkin, A. P. Smirnov, A. Smirnov. // Actual problems of forest sector development: Proceedings of the International Scientific and Technical Conference on December 8-10, 2009 / Vologda State Technical University. Vologda Univ VSTU, 2010. P.25-27
6. Zalegaller B. G, Dove P. V., Boiko S. P. Textbook for universities. 3rd ed., Rev., Dop.- M .: Forest. industry, 1984.—352 p.
7. Zubarev L., Litvinov V. Golovan' G., The shingle production / L. Zubarev, V. Litvinov, G. Golovan' // Make it yourself 1994 № 6 P. 78-82.
8. Nesterov N. S. The value of aspen in the Russian forestry / 2nd ed., M. 1894. 77 p.
9. Onegin V. I., Chubinskii A. N. Industrial use aspen wood - effective direction of sustainable forest management / V. I. Onegin, A. N. Chubinskii // Mining Institute Notes. Ecology and environmental management. 2001. Vol. 149. P.225 - 227
10. Patyakin V. I., Salminen E. O., Bit Y. A. et al. Forest exploitation: a textbook for students. Executive. Proc. institutions M. 2006. 320 p.
11. Black A. G., Ilyushenko L. V. Getting radial rough blanks // Proceedings of the higher educational institutions. Forest magazine.2006. № 3. P. 46-51
12. Chubinskii A. N., Kondakov E. N., Shcherbakov V. M. Materials from aspen and their production technology / A. N. Chubinskii, E. N. Kandakova, V. M. Shcherbakov et al. // Forest and business. 2006. № 1(21). P. 48-50
13. Shimkevich Y. B. Directory sawmilling / St. Petersburg. "Profi-Inform".2004. 200 p.
14. Electronic resources: [http://www.stf-dvt.ru/catalogue/detail/ proizvodstva_dranki_gonta_shindelya/stanok_dlya_proizvodstva_kolotoj_dranki_shs-1500_italiya/] (accessed on Day 1.12.2014).
15. Electronic resources: [http://holzschindeln.ru/nashi-proekty/item/198-skolkovo-2014.html] (accessed on Day 1.12.2014).
16. Electronic resources: [http://karjalakelo.ru/article/5] (accessed on Day 1.12.2014).
17. Electronic resources: [http://www.krovlirussia.ru/rubriki/materialy-i-texnologii/moda-na-tradicii-krysha-iz-dereva-na-rynke-elitnyx-krovel] (accessed on Day 1.12.2014).
18. Electronic resources: [http://www.freepatent.ru/patents/2486052] (accessed on Day 1.12.2014).
19. Korjauskortisto KK19: Pärekatto. Museovirasto, Helsinki. 2002. P. 16
20. Holzschilden. DIN 68119:1996-09 // Deutsche norm. Berlin. 1996. P. 8
© 2014 EopucoB A. M., KonecHHKOB r.H.
