НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОРТООБРАЗОВАНИЯ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ\n тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, доктор наук Тамби Александр Алексеевич

• Тамби Александр Алексеевич
• доктор наук
• 2016

Оглавление диссертации доктор наук Тамби Александр Алексеевич

Введение

1. Анализ состояния вопроса. Цель и задачи исследований

1.1. Анализ состояния и перспективы развития производства пиломатериалов

1.2. Классификация пиломатериалов и качественных

характеристик древесины

1.3. Изменчивость физико-механических свойств древесины

1.4. Систематизация факторов, влияющих на формирование клеевых соединений цельной древесины и методы оценки

их качества

1.5. Методы оценки размерно-качественных характеристик круглых лесоматериалов

1.6. Анализ физических методов испытаний пиломатериалов

1.7. Выводы и задачи исследования

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности применения физических методов испытания древесных

материалов в процессе обработки

2.1. Краткая характеристика строения древесины

2.2. Исследование вариативности физико-механических свойств

и размеров круглых лесоматериалов

2.3. Исследование физико-механических свойств хлыстов

2.4. Исследование микро- и макростроения древесины

хвойных пород

2.5. Исследование физическо-механических свойств

пиловочных бревен

2.6. Исследование распределения механических характеристик

по объему круглых лесоматериалов

2.7. Оценка соответствия круглых лесоматериалов свойствам

готовой продукции

2.8. Выводы

3. Основные методические положения

3.1. Общие положения

3.2. Исходное сырье и материалы, применяемое оборудование

3.3. Методы исследований

3.3.1. Методика исследования микро- и макростроения древесины

3.3.2. Методика исследования распределения плотности

и влажности древесины в объеме круглых лесоматериалов

3.3.3. Методика определения строения древесины и ее влажности методом магнитно-резонансной томографии (МРТ)

3.3.4. Методика определения строения древесины и ее плотности методом компьютерной томографии (КТ)

3.3.5. Методика исследования распределения механических характеристик по объему хлыста

3.3.6. Методика оценки скорости прохождения акустических колебаний через древесину

3.3.7. Методика определения плотности древесины и прочности клеевых соединений методом рентгенографии

3.3.8. Методика исследования структуры клеевого соединения

3.4. Методика планирования экспериментов и обработки

полученных результатов

4. Обоснование методов оценки строения и свойств круглых лесоматериалов

4.1. Разработка методики оценки внутреннего строения древесины

с использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ)

4.2. Разработка методики оценки внутреннего строения древесины

с использованием компьютерной томографии

4.3. Выводы

5. Методы оценки свойств пиломатериалов и обоснование необходимости их применения при склеивании цельной

клееной древесины

5.1. Обоснование необходимости оценки свойств пиломатериалов

5.2. Исследование влияния плотности древесины на ее прочность

и скорость прохождения акустических колебаний

5.3. Методика оценки прочности древесины методом рентгенографии

5.4. Обоснование условий и режимов склеивания цельной

древесины

5.5. Исследование структуры клеевых соединений

5.6. Повышение качества склеивания пиломатериалов

5.7. Разработка логистической схемы контроля сырья и материалов

по качественным характеристикам

5.8. Выводы

6. Экономическое обоснование целесообразности сортировки

пиловочника по качественным признакам

6.1. Общие требования к проектированию лесопильного

предприятия

6.2. Экономическое обоснование целесообразности разделения сырья лесопильных предприятий по степени его экономической ценности

6.3. Методика и пример расчета процессов сортировки и

накопления пиловочных бревен

6.4. Оценка экономической эффективности применения томографии

на участке сортировки круглых лесоматериалов

6.5. Выводы

Общие выводы и рекомендации

Список использованных источников

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Необходимость увеличения в РФ темпов строительства, включая деревянное домостроение, доли древесных материалов в изготовлении ответственных несущих элементов жилых и промышленных зданий и сооружений, ставит перед лесопильными предприятиями задачу перехода от сложившейся системы обеспечения объемного выхода пиломатериалов к производству пиломатериалов, требуемого заказчиком качества. Возрастает необходимость изготовления пиломатериалов не только с требуемыми размерами, но и одинаковыми в объеме сортиментов физико-механическими свойствами, обеспечивающими прочность и надежность конструкций в течение всего периода эксплуатации продукции.

Расширение номенклатуры и ассортимента материалов и изделий из древесины, комплексное и рациональное использование древесного сырья возможно на основе знаний строения и физико-механических свойств древесины обрабатываемых сортиментов и возможности их определения в производственном процессе в режиме реального времени обработки предмета труда.

Вследствие неоднородностей геоклиматических условий произрастания даже в условиях одной лесосеки древесине присуща высокая вариативность свойств, что требует применения современных методов их контроля.

Использование информации о размерах и свойствах предмета труда на основании только математико-статистических моделей, описывающих средние значения свойств древесины в объеме хлыста, не позволяет достоверно оценить характеристики будущей продукции.

Исследования по изучению размерно-качественных характеристик и разработка методов оценки физическо-механических свойств древесины в объеме лесоматериалов соответствуют приоритетному направлению развития науки, технологии и техники РФ «Рациональное природопользование».

Научное значение исследований в области строения и свойств древесины заключается в получении новых знаний о древесных материалах, объемно-структурном распределении элементов микро- и макростроения в объеме сортиментов, определяющих их потребительские свойства.

Практическая значимость исследований заключается в решении задач по оценке возможности использования различных зон круглых лесоматериалов для изготовления определенной номенклатуры древесных материалов с требуемыми свойствами.

Таким образом, повышение эффективности использования древесного сырья, путем обоснования местоположения в хлысте зон древесины с требуемыми свойствами, а также использование методик предварительной оценки его строения неразрушающими методами является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное хозяйственное значение для деревообрабатывающей промышленности.

Степень разработанности темы исследования

Значительный вклад в развитие науки о древесине в области оценки её физических и механических свойств, формы и размеров ствола, возможности использования компьютерной томографии для оценки внутреннего строения древесины, разработки методов оценки прочности древесины внесли известные российские и зарубежные ученые: Н.П. Анучин, Н.А. Бабич, В.А. Баженов, Н.А. Батин, А.М. Боровиков, С.А. Ванин, В.Е. Вихров, Г.Д. Власов, С.П. Исаев, Р.Е. Калитеевский, А.Н. Кармадонов, Л.М. Ковальчук, В.А. Куликов, Б.К. Лакатош, Н.Л. Леонтьев, П.Н. Мазуркин, В.И. Мелехов, В.Е. Москалева, Н. И. Москвитин, В.В. Огурцов, В.И. Онегин, Л.М. Перелыгин, А.Н. Песоц-кий, А.А. Пижурин, А.Д. Платонов, О.И. Полубояринов, М.С. Розенблит, С.Н. Рыкунин, А.П. Рябоконь, В.Г. Санаев, В.В. Сергеевичев, А.С. Фрейдин, В.М. Хрулев, П.Н. Хухрянский, А.Н. Чубинский, А.А. Яценко-Хмелевский, S. Bhandarkar, V. Bucur, H. Carino, F. Colin, B. Ericson, L. Fleur, C. Freyburger, F. Kollmann, S. Liang, W. Moschler, M. Okuma, P. Oven, R. Ross, O. Suchsland, Q. Wei и многие другие.

Выполненные исследования позволили обосновать методы и средства контроля древесины, разработать инновационные методики неразрушающего контроля круглых лесоматериалов, основанные на использовании компьютерной и магнитно-резонансной томографии. Предложен метод оценка качества клеевых соединений и строения пиломатериалов с использованием рентгенографии.

Перспективным направлением является проведение двухстадийного контроля и оценки качества пиломатериалов, включающего установление соответствия свойств круглых лесоматериалов требованиям к конечной продукции и контроль механических свойств древесины.

Цель работы - повышение эффективности использования древесного сырья в производстве пиломатериалов

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Теоретически и экспериментально обосновать необходимость и возможность оценки свойств и строения древесины круглых лесоматериалов и пиломатериалов неразрушающими методами контроля.

2. Теоретически и экспериментально обосновать необходимость перехода от моделей, построенных на среднестатистических данных, к сплошной оценке свойств древесины при раскрое круглых лесоматериалов.

3. Исследовать изменчивость физических свойств древесины в объеме хлыста основных пород Северо-Западного региона РФ.

4. Исследовать влияние строения древесины и ее физических свойств на механические свойства пиломатериалов.

5. Разработать методы неразрушающего контроля строения древесины у круглых лесоматериалов и пиломатериалов.

6. Исследовать и математически описать связь между базисной плотностью древесины и плотностью при эксплуатационной влажности.

7. Обосновать условия склеивания и требования к физическим свойствам древесины и ее строению для изготовления клееной продукции.

8. Обосновать принципы сортообразования пиломатериалов, основываясь на строении и физических свойствах древесины.

9. Определить экономическую целесообразность внедрения физических методов контроля древесины и выполнить их промышленную апробацию.

Научной новизной обладают:

1. Закономерности изменения физико-механических свойств древесины в хлысте, полученные в результате испытаний неразрушающими физическими методами.

2. Теоретически обоснованная и экспериментально подтвержденная методика оценки неразрушающими методами физических свойств древесины в стволе растущего дерева, позволяющая установить соответствие его свойств требованиям к конечной продукции.

3. Метод оценки круглых лесоматериалов с использованием магнитно-резонансной томографии и методика его реализации, позволяющие определить распределение влаги в сортименте и оценить его строение в промышленных и лабораторных условиях.

4. Теоретически обоснованная и экспериментально подтвержденная возможность использования разработанных методов компьютерной томографии, позволяющей определить распределение массы в каждой единице объема (плотности) сортимента и оценить его строение, рентгенографии для оценки строения пиломатериалов и их физико-механических свойств и рентгеновской микро- и нанотомографии для оценки структуры клеевых соединений.

5. Математико-статистические модели, описывающие физические свойства и строение древесины в хлыстах.

6. Классификация пиломатериалов, основанная на макростроении и свойствах древесины, учитывающая технологические и эксплуатационные требования к продукции из древесины.

Теоретическая значимость

- теоретическое и экспериментальное подтверждение возможности оценки строения и свойств древесины физическими методами испытаний, включая компьютерную томографию, магнитно-резонансную томографию, микро- и нанотомографию, лазерное сканирование, рентгенографию, оптическую микроскопию, сканирующую электронную микроскопию, акустическую дефектоскопию на микро- и макроуровнях;

- теоретическое и экспериментальное обоснование связи базисной плотности древесины на высоте 1,3 м с распределением плотности при заданном уровне влажности по объему хлыста;

- теоретическое и экспериментальное обоснование качественного выхода пиломатериалов в зависимости от породы древесины и их местоположения в круглых лесоматериалах.

- математико-статистические модели распределения плотности и влажности в объеме хлыста;

- математико-статистические модели процесса формирования клеевых соединений.

Практическая значимость

Полученные результаты исследований могут быть использованы на лесозаготовительных, лесопильных и лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях при определении соответствия качества сырья требованиям к конечной продукции.

Для практики имеет значение:

- методика оценки внутреннего строения круглых лесоматериалов методом компьютерной томографии;

- методика оценки внутреннего строения круглых лесоматериалов методом магнитно-резонансной томографии;

- методика оценки соответствия качества древесины в условиях лесосеки требованиям, предъявляемым к готовым материалам и изделиям из цельной древесины;

- методика определения показателей работы лесопильного производства при введении сортировки лесоматериалов по физико-механическим свойствам;

- алгоритм определения местоположения пиломатериалов в стволе, основанный на требуемых физико-механических свойствах;

- логистическая схема контроля сырья и материалов по качественным характеристикам.

Разработанные методы контроля свойств исходного сырья позволяют исключить из технологического процесса древесину с несоответствующими характеристиками, что снижает затраты на выпуск заведомо неспецификаци-онной продукции и укладывается в концепцию рационального природопользования.

Методология и методы исследования

Основу исследований составил системный подход, основанный на использовании современных методов и методик научного поиска. Применение современных методов исследований, включая компьютерную, магнитно-резонансную, микро- и нанотомографию, лазерное сканирование, рентгенографию, оптическую микроскопию, сканирующую электронную микроскопию, акустическую дефектоскопию позволило изучить строение древесины на микро- и макро уровнях, обосновать распределение физических свойств по объему сортиментов и физические неразрушающие методы контроля древесины и клееных материалов.

Информационную базу исследований составили материалы собственных научных исследований, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, конференций, патентная информация, официальные сведения компаний-производителей оборудования из сети Интернет.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Сортообразование пиломатериалов необходимо осуществлять на основе физико-механических свойств и строения древесины, в отличие от применяемых сегодня принципов визуальной сортировки.

2. Изменчивость физико-механических свойств и строения древесины даже в стволе одного дерева требуют их оценки до и непосредственно в процессе обработки, используя физические неразрушающие методы испытаний.

3. Оценка физических свойств в объеме растущего дерева, основанная на их взаимосвязи с базисной плотностью, а также плотностью при заданной влажности, позволяет определять свойства пиломатериалов и их соответствие требованиям к готовой продукции на этапе проведения лесозаготовительных работ.

4. Физические методы оценки свойств и строения древесины, в отличие от традиционных разрушающих методов контроля, могут использоваться на всех этапах производственного процесса и обеспечивать сплошной контроль сырья и материалов в режиме реального времени перемещения предмета труда.

Степень достоверности

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обоснованными упрощениями, корректными допущениями при замене реальных процессов расчетными схемами и разработке математических моделей; современными средствами научного поиска; результатами испытаний, проведенных на предприятиях отрасли, приемлемыми совпадениями результатов теоретических исследований с экспериментальными данными и положительными результатами внедрения технологии в производства.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОРТООБРАЗОВАНИЯ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ\n»

Апробация работы

Результаты исследований апробированы в лабораторных условиях (ФГБУ «СПбНИПНИ им. В.М. Бехтерева, ресурсный центр «Геомодель» СПбГУ), внедрены в производственные процессы лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств (в производстве круглых лесоматериалов ООО «Кириши Леспром», в производстве клееного бруса ООО «СК «Русь»). Результаты исследования отмечены тремя грантами Правительства Санкт-Петербурга в 2009, 2011 и 2014 гг., из них две работы выполнены лично автором, одна - под его руководством.

По результатам работы получены два патента на изобретение и два на полезную модель. Результаты исследований используются в учебном процессе в дисциплинах: «Физика древесины», «Инновационные методы контроля древесины и древесных материалов», «Технология лесопильно-деревообрабатывающих производств» и «Методология проектирования технологических процессов лесопиления».

Основные положения диссертации докладывались на НТК: Актуальные проблемы лесного комплекса (Брянск, 2007), Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса (Кострома, 2012 - 2013), Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка (Сыктывкар, 2013); НПК: Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка (СПб 2007, 2010-2012), Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, плиты, деревянные дома заводского изготовления, столярно-строительные изделия (СПб, 2009), Леса России в XXI веке (СПб, 2009-2010), Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона (СПб, 2009), Молодые исследователи регионам (Вологда, 2009), Современные проблемы механической технологии древесины (СПб, 2010), Современные проблемы переработки древесины (СПб, 2011-2015), Физика древесины. Древесные материалы и изделия. Ландшафтный и промышленный дизайн. Проекты молодых ученых (СПб, 2013), Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика (Воронеж, 2014); на международных конференциях: «Первичная обработка древесины: Лесопиление и сушка пиломатериалов. Состояние и перспективы развития» (СПб, 2007); IAWS Plenary meeting and conference (Saint-Petersburg - Moscow, 2009); Holz und Bau (Biel, 2012), «SPRUNGBRETT» (Scopje, 2014), «SPRUNGBRETT» (Biel, 2014-2015).

Практические рекомендации диссертации широко освещены в известных отраслевых журналах: Лес и бизнес (2007); Леспроминформ (2008-2013).

Работа выполнялась в рамках НИР: «Исследование строения древесины на микроуровне и ее физических свойств» в рамках тематического плана НИР Рособразования / Отчет по теме № темы: 5.2664.2011 № ГР 01201255483 - СПб.:СПбГЛТУ, 2012. - 56 с., а также в рамках госбюджетной НИР «Исследование и разработка сценариев развития технологии и организации лесо-пильно-деревообрабатывающих производств».

Публикации. По результатам исследований автором опубликовано 62 печатные работы, в том числе 2 монографии, 1 3 статей в ведущих рецензируемых журналах (из них одна статья индексируется SCOPUS), получено 2 патента на изобретение и 2 патента на полезные модели.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложений.

Соответствие паспорту специальности

Диссертация соответствует паспорту научной специальности 05.21.05 Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки в пунктах:

I. Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий).

3. Прогнозирование технического прогресса в технологиях и обоснование системы машин и оборудования для их реализации.

4. Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины.

II. Разработка методов оценки и управления качеством обоснования технических показателей и их уровней, эффективности технического обслуживания отдельных агрегатов, оборудования, поточных и автоматических линий.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ состояния и перспективы развития производства пиломатериалов

Повышение объёмов переработки древесины и эффективности лесного комплекса - одна из важнейших задач экономики Российской Федерации. Развитие деревообрабатывающих производств, продукция которых направлена как на потребление внутри страны, так и на экспорт, позволит создать новые рабочие места, обеспечить потребности граждан в жилье, снизить зависимость экономики страны от продаж сырья.

По результатам прошедшего в 2013 г. в г. Улан-Удэ государственного Совета Российской Федерации /54/ разработано два варианта развития производства и потребления основных видов продукции лесного комплекса: инерционный и инновационный. Оба предполагают наращивание производственных мощностей по переработке древесины.

Поставленные задачи должны быть реализованы к 2030 г., с учетом необходимости проектирования и строительства новых предприятий, а также создания логистических узлов «ресурсы - производитель - потребитель» - на реализацию поставленных задач отведено не так много времени.

В 2011 г. доля российского лесного комплекса в ВВП составила 1,2%, а в валютной выручке от экспорта - 2,1%. Лесопильно-деревообрабатывающие производства выпускают 46% продукции от общего объема лесопромышленного комплекса Российской Федерации, рис. 1.1, что превышает объемы производства в стоимостном выражении целлюлозно-бумажных предприятий и составляет около 0,55% ВВП страны.

При этом производство основного вида продукции лесопильных предприятий - пиломатериалов, находится на очень низком уровне, рис. 1.2, а качество производимой продукции, оцениваемой большим количеством норма-

тивных документов, зачастую не соответствуют требованиям потребителей к конечной продукции.

Рис. 1.1. Структура отгруженной продукции лесопромышленного комплекса /54/

Рис. 1.2. Производство пиломатериалов в России по данным официальной статистики

Помимо официальных источников, фиксирующих объемы производства на предприятиях с годовым объемом круглых лесоматериалов свыше 10 тыс. м , необходимо учитывать выпуск пиломатериалов, производимых на малых лесопильных предприятиях, количество которых по экспертным оценкам составляет около 13000, т.е. около 84,1% от общего количества лесопильных предприятий страны. При этом именно на малых предприятиях в основном вырабатываются пиломатериалы для внутреннего потребления.

Суммируя объемы производства пиломатериалов на крупных, средних и малых лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях, а также данные экспортирующих компаний, общий объем производства пиломатериалов в

-5

России в 2013 г. может быть определен на уровне 33-38 млн. м (табл.1.1-1.2).

Таблица 1.1

Производство конструкционных лесоматериалов в России /154, 211/

Наименование продукции Производство по годам

1985 1990 1995 2000 2005 2007 2009 2011 2013

Круглый лес, млн. м3 337 304 116 168 185 207 178 182 158

Пиломатериалы, 3 млн. м 80 75 26,5 20 20 23 18 25 33,5

Фанера, тыс. м3 1594 1592 939 1484 2551 2763 2107 3003 3963

Древесностружечные плиты (классические), тыс. м3 4672 5568 2206 2332 4046 5261 4562 5605 6657

Древесноволокнистые 2 плиты, млн. м 453 483 234 278 378 477 296 428 2300 (тыс.м3)

Таблица 1.2

Динамика экспорта основных видов продукции за 2007-2012 гг.

Виды продукции 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г. 2013 г. 2013 г. к 2007 г., в %

Лесоматериалы необработанные, 3 млн. м 51,1 36,8 21,7 21,2 21,2 17,0 18,0 35,2

Пиломатериалы, 3 млн. м 17,2 15,4 16,2 17,7 18,5 18,7 20,9 121,5

Фанера клееная, тыс. м3 1493 1326,4 1325,2 1511,9 1516,8 1527,3 1700 113,9

ДСП, тыс. м3 438,4 411,4 496,3 490,0 458,0 463 403 91,9

ДВП, тыс. м3 109,2 83,9 83,2 66,0 61,6 63 - -

Целлюлоза, тыс. т 1797,9 1921,1 1528,3 1984,0 1921,0 2068,5 2180 121,3

Бумага и картон, тыс. т 2469,9 2737,3 2595,5 2578,1 2519,2 2540 2236 90,5

Анализ официальной статистики и мнений экспертов позволяет разделить существующие лесопильные предприятия на две группы (табл. 1.3):

1. Средние и крупные лесопильные предприятия - выпускающие около 60% пиломатериалов от общего объема производства в России и работающие в основном на экспорт по стандартам качества зарубежных потребителей.

2. Малые предприятия - выпускающие около 40% пиломатериалов, продукция которых предназначена в основном для использования внутри страны, работающие по отечественным стандартам или техническим условиям заказчиков.

Таблица 1.3

Средние объемы производства, потребления и экспорта пиломатериалов в 2013 г., тыс. м

Показатель Крупные и средние лесопильные предприятия (учитываемые Рос-статом) Общий объем с учетом малых предприятий* Не учитываемое Росста-том

Производство 21,0 33,5 12,5

Экспорт 20,9 Нет данных

Внутреннее потребление 8,3* 12,6 4,3

*Данные получены на основании экспертной оценки.

Современные крупные и средние предприятия в России вводятся в строй низкими темпами. Так, к 2011 г. в РФ работает всего 24 новых предприятия с

-5

объемом производства свыше 100 тыс. м , с общим объемом выработки 4,2

-5

млн. м пиломатериалов, что составляет 21,0% совокупного объема выпуска пиломатериалов крупными предприятиями.

На малых предприятиях для производства пиломатериалов в основном используют морально, а зачастую и физически, устаревшие лесопильные рамы (табл. 1.4).

Государственным Советом РФ разработаны два сценария развития лесопромышленного комплекса на 2012-2030 г., табл. 1.5.

И инерционный и инновационный сценарии развития отрасли подразумевают увеличение объемов производства и потребления пиломатериалов как внутри страны, так и экспорта пиломатериалов.

Таблица 1.4

Распределение объема производства пиломатериалов по видам оборудования /54/

Вид оборудования Доля производства пиломатериалов

Лесопильные рамы 63%

Фрезернопильное оборудование 33%

Круглопильное оборудование 3%

Ленточнопильное оборудование 1%

Таблица 1.5

Сценарии развития лесопромышленного комплекса на 2012-2030 г. /54/

Наименование вида Наименование 2012 г. 2020 г. 2030 г. 2030 г. к

продукции сценария 2012 г., %

Производство основных видов продукции лесного комплекса

Заготовка древесины Инерционный 182,5 244,5 278,4 152,5

(млн. м3) Инновационный 182,5 269,5 362,0 198,4

Пиломатериалы Инерционный 18,8 24,2 32,0 170,2

(млн. м3) Инновационный 18,8 32,2 38,7 206,0

Фанера клееная Инерционный 3150,0 3635,9 3977,0 126,3

(тыс. м3) Инновационный 3150,0 3966,2 6140,0 195,0

Целлюлоза товарная Инерционный 2397,1 3085,9 3224,3 134,5

(тыс. тонн) Инновационный 2397,1 3220,0 4750,0 198,2

Бумага и картон Инерционный 7660,0 9594,1 9787,8 127,8

(тыс. тонн) Инновационный 7660,0 10753,8 14252,6 186,1

Потребление основных видов продукции лесного комплекса

Заготовка древесины Инерционный 109,4 148,2 167,5 153,1

(млн. м3) Инновационный 109,4 169,6 220,9 201,9

Пиломатериалы Инерционный 8,1 8,8 10,0 124,3

(млн. м3) Инновационный 8,1 10,9 16,5 203,7

Фанера клееная Инерционный 1797,5 2074,8 2495,3 138,8

(тыс. м3) Инновационный 1797,5 2092,1 3635,8 202,3

Целлюлоза товарная Инерционный 393,5 544,7 623,1 158,3

(тыс. тонн) Инновационный 393,5 566,0 914,0 232,6

Бумага и картон Инерционный 7144,5 9597,8 13978,7 195,7

(тыс. тонн) Инновационный 7144,5 11432,7 25611,7 358,5

Анализ данных показывает:

1. Объем производства пиломатериалов при реализации инновационного сценария к 2030 году средними и крупными предприятиями относительно 2013 г. планируется увеличить в 1,84 раза, что соответствует текущему совокупному производству пиломатериалов с учетом малых предприятий.

2. Объемы потребления пиломатериалов при реализации инновационного сценария планируется увеличить в 1,3 раза относительно показателей 2013 г, до уровня 16,5 млн. м .

3. При реализации инерционного сценария объемы производства и потребления пиломатериалов, учитываемые Росстатом, снизятся относительно текущего уровня, что может привести к закрытию производств и перераспределению соотношения продаж на внутреннем и внешнем рынках.

4. При рассмотрении структуры производства и потребления только в разрезе крупных и средних предприятий, для достижения поставленной задачи по объемам производства необходимо дополнительное введение произ-

-5

водственных мощностей в объеме 13,2 - 19,9 млн. м , соответственно при инерционном и инновационном сценарии развития отрасли. При существующей динамике ввода в строй промышленных производств это означает необходимость создания за 15 лет 66 - 100 новых предприятий со средней производительностью 200 тыс. м3 пиломатериалов. Таким образом, ежегодно потребуется открывать 4-7 новых предприятий.

Реализация планов во многом будет зависеть от темпов развития экономики России и мировой экономики, определяющих внутренний спрос и экспорт пиломатериалов. Анализ состояния производства, потребления и экспорта пиломатериалов показывает:

1. Наиболее вероятным является сценарий увеличения экспорта с одновременным повышением потребления внутри страны.

2. Сдерживающим фактором для инновационного развития производства пиломатериалов и их потребления внутри страны и за её пределами, является различие в стандартах на круглые лесоматериалы и готовую продукцию, что требует выполнения работ по гармонизации отечественных и зарубежных стандартов по оценке свойств древесины, в первую очередь её прочности.

3. При реализации инерционного сценария объемы производства и потребления пиломатериалов, учитываемые Росстатом, снизятся относительно текущего уровня, что может привести к закрытию производств и перераспределению соотношения продаж на внутреннем и внешнем рынках.

4. Сценарии инновационного развития требуют создания не только новых производств, но и дополнительной транспортной инфраструктуры для перевозки и отгрузки круглых лесоматериалов, пиломатериалов, технологической щепы. Увеличение объемов производства пиломатериалов потребует введения новых мощностей по переработке отходов лесопиления, мелкото-

варных и низкокачественных круглых лесоматериалов и инфраструктурного обеспечения этих предприятий.

5. Повышение объёмов производства и качественного выхода пиломатериалов потребует не только широкого внедрения современного бревно-пильного оборудования, но и разработки эффективных методов оценки размеров, формы и качества как пиловочных брёвен, так и производимой продукции. Новые методы должны позволять осуществлять селективный подход к древесине, основанный на принципах соответствия свойств пиломатериалов требованиям к готовым изделиям.

1.2. Классификация пиломатериалов и качественных характеристик древесины

На территории Российской Федерации применяются методы оценки качества пиломатериалов, основанные на оценке размеров видимых пороков и дефектов на пластях и кромках пиломатериалов, а также их соотношения с размерами сортиментов, которые также стандартизованы без учета экспортных требований. Эти принципы заложены в ГОСТ 8486-86 «Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия», ГОСТ 26002-83 «Пиломатериалы хвойных пород северной сортировки, поставляемые для экспорта. Технические условия» и в скандинавских правилах сортировки Nordic Timber.

Определение сорта пиломатериалов в зависимости от видимых пороков существенно упрощает процесс их сортировки, но в то же время сорт не отражает реальную прочность древесины и конструкционных материалов. Более полное представление о прочности пиломатериалов можно получить путем проведения силовой сортировки, в процессе которой определяется модуль упругости каждой доски, а на его основании - ее физико-механические свойства. Несомненно, чем качественнее исходное сырье, тем выше качество получаемой продукции.

Вместе с тем в РФ при использовании пиломатериалов в качестве строительных элементов деревянных зданий и сооружений, а также в качестве конструкционных материалов в соответствии с требованиями СП 64.13330.2011 (актуализированная редакция СНиП 11-25-80) пиломатериалы подразделяются на три группы качества, определяемые по критерию расчетных сопротивлений для каждой группы конструкций при изгибе, сжатии, растяжении вдоль волокон и т. д. Также в этом документе к пиломатериалам предъявляются дополнительные требования: ширина годичных слоев в древесине элементов и слоев классов К26 и К24 должна быть не более 5 мм, а содержание в них поздней древесины - не менее 20%; в слоях клееных изгибаемых элементов классов К26 и К24 для крайней растянутой зоны (на 0,15 высоты сечения) и в цельнодеревянных элементах толщиной 60 мм и менее, работающих на ребро при изгибе или на растяжение, не допускается сердцевина.

Таким образом, имеет место явное несоответствие между оценками качественных характеристик пиломатериалов их производителями и потребителями.

Стандарты EN предусматривают два вида сортировки: визуальную и машинную, однако сфера применения визуальной сортировки ограничена выборкой пиломатериалов низших сортов, ценность которых невелика. Существующий норматив DIN EN 14081-1:2005 «Конструкции деревянные. Строительная древесина несущего назначения прямоугольного сечения, сортированная по прочности. Часть 1. Общие требования» допускает возможность визуальной сортировки, однако ее критерии также отличаются от принятых в России. Визуально пиломатериалы на основании размеров трещин и сучков на поверхности пиломатериалов, а также кривизны и величины годичного прироста, который не регулируется российскими ГОСТами, разделяют на две группы: ниже и выше класса С18 по EN 338-2009. По указанным принципам стандарт имеет сходство с британскими требованиями BS, также предполагающими визуальную оценку для разделения пиломатериалов на

два класса: общие конструкционные пиломатериалы GS и специальные конструкционные пиломатериалы SS, - стандарт BS 4978:1996 «Хвойные пиломатериалы визуальной сортировки по прочности». Однако при этом стандарт на клееные элементы из древесины, без которых невозможно обойтись при проектировании и строительстве промышленных объектов: EN 1194 «Древесина клееная многослойная» - имеет прямое указание на осуществление контроля физико-механических показателей в соответствии с EN 338 или по результатам собственных испытаний, что также обесценивает пилопродукцию российского производства

Европейские принципы сортировки пиломатериалов, предназначенных для изготовления деревянных конструкций, основаны на стандарте EN 3382009, который предусматривает разделение пиломатериалов на 12 классов для хвойных пород и 6 классов - для лиственных. При этом оценивается реальная несущая способность пиломатериалов без учета их внешнего вида, выполняемая методами силовой или акустической сортировки, а также методами рентгено- и томографии, исключающими субъективную оценку и повышающими достоверность за счет исключения влияния человеческого фактора.

Европейские правила сортировки учитывают изменчивость свойств древесины в широком диапазоне и могут применяться для пиломатериалов вне зависимости от геоклиматических условий роста деревьев. Тем самым исключается ситуация, когда при прочностных расчетах конструкции для определения реальной способности древесины закладываются справочные значения плотности, характерные для региона произрастания деревьев той или иной породы.

Для того чтобы соответствовать международным нормам идентификации, на отечественных предприятиях необходимо вводить новые методы сортировки досок и клееных древесных материалов, позволяющие оценивать их физико-механические свойства. Методы и средства сортировки не должны быть привязаны к отдельным стандартам, а основываться на физических

свойствах древесины. Такой подход позволит разделять пиломатериалы на любые группы качества по задаваемым требованиям.

Влияние видимых пороков древесины и дефектов обработки на поверхности пиломатериалов на их реальную несущую способность в разное время рассматривалось многими исследователями. Полученные ими данные не подтверждают высокую степень этого влияния. Так, например, по данным Е. И. Савкова /131, 132/, В. Н. Волынского /33/, и других российских специалистов, реальная прочность пиломатериалов третьего и четвертого сорта по ГОСТ 8486-86 может быть выше прочности пиломатериалов нулевого и первого сортов. При этом коэффициент вариации при проведении испытаний может достигать 40% и более, что не позволяет гарантировать реальные физико-механические свойства пиломатериалов на основании видимых пороков древесины.

Н. Л. Леонтьев определил /90, 91/, что степень влияния сучков на прочность древесины зависит от их относительных размеров, разновидности и вида действия сил. Испытаниями установлено, что в каждой группе качества есть заготовки всех категорий прочности /77, 91/.

Определено, что с увеличением относительного размера сучка предел прочности при статическом изгибе и сжатии вдоль волокон у досок, брусков и брусьев резко падает.

По данным других исследователей, а также ЦНИИМОД /92, 125, 135/ влияние размеров сучка оказывает влияние на прочность древесины, что отражено в табл. 1.6.

Влияние наклона волокон на данные оценки прочности подтверждаются известными и признанными результатами исследований Н.Л. Леонтьева /92/ и Л.М. Перелыгина /110/, касающимися как природного, так и искусственного косослоя.

Принципиально у пиломатериалов различают две разновидности наклона волокон, рис. 1.3. Их влияние на механические свойства приведено в табл. 1.7.

Таблица 1.6

Влияние сучков на прочность древесины сосны /135/

Размер сучка в долях ширины или толщины детали Прочность, % от прочности чистой древесины при

статическом изгибе сжатии вдоль волокон

0,05 90 93

0,10 86 88

0,15 82 83

0,20 77 78

0,25 72 73

0,30 67 68

0,35 63 63

0,40 58 58

0,45 54 53

0,50 49 48

а б

Рис. 1.3. Разновидности наклона волокон: а - тангенциальный, б - радиальный /110/

Таблица 1.7

Влияние природного косослоя на прочность древесины сосны /92/

Свойства древесины Прочность косослойной древесины в % от прочности прямослойной древесины при косослое

0-3% 6% 9% 12%

Предел прочности при сжатии вдоль волокон 100 99,0 96,4 97,3

Предел прочности при статическом тангенциальном изгибе 100 98,5 95,5 89,4

Условный модуль упругости (при статическом изгибе) 100 100 96,2 92,5

Малый косослой - до 6%, практически не оказывает влияние на прочность древесины /92, 110/.

Наибольший интерес представляет влияние искусственного косослоя, вызванного перерезанием волокон при продольном делении бревен, особенно сильно проявляющегося при пилении круглых лесоматериалов, имеющих кривизну, табл. 1.8.

Таблица 1.8

Влияние искусственного косослоя на прочность древесины сосны /92/_

Свойства древесины Прочность косослойной древесины в % от прочности прямослойной древесины при наклоне волокон

5% 9% 17,5% 27%

Прочность при сжатии вдоль волокон 99,5 96,5 90,5 80,0

Прочность при статическом изгибе 94,0 90,5 66,0 51,5

Помимо влияния видимых пороков, необходимо учитывать и высокую вариативность физических свойств древесины.

Известно, что одним из основных факторов, влияющих на прочность древесины, является ее плотность.

Проведенные исследования позволяют утверждать, что плотность и, соответственно, прочность и другие физико-механические свойства могут изменяться в довольно большом диапазоне даже в рамках одной породы. Так, по данным собственных исследований, плотность сосны, растущей в Ленинградской области, при влажности 12% варьирует в диапазоне от 440 до 640

3 3

кг/м по объему ствола дерева /176/, а плотность ели - от 320 до 450 кг/м . Результаты исследований позволяют сделать вывод о необходимости проведения оценки физических свойств у пиломатериалов даже в рамках одной породы с обязательным определением реальной несущей способности, которая не может быть установлена только на основании визуальной оценки, формируемой на основе количества и качества видимых пороков древесины /1 70/.

Поскольку требования к пиломатериалам существенно различаются в зависимости от номенклатуры и ассортимента продукции, является целесообразным их разделение на группы по назначению, рис. 1.4, позволяющие определять возможность их использования для определенного вида продук-

ции механической обработки древесины, рис. 1.5. В табл. 1.9 приведены дополнительные требования к пиломатериалам, предъявляемые нормативными документами на конечную продукцию.

На основании результатов анализа нормативных документов и литературных источников является обоснованным разделение пиломатериалов на четыре группы качества, рис. 1.4:

- конструкционные пиломатериалы, предназначенные для изготовления деталей несущих конструкций;

- обшивочные материалы, облагораживающие внешний вид готовых изделий;

- пиломатериалы для изготовления столярно-строительных изделий;

- конструкционные пиломатериалы, предназначенные для изготовления мебели.

Дополнительными требованиями, помимо внешних характеристик являются:

- прочность при определенных видах механических испытаний;

- прочность склеивания (прочность при скалывании вдоль волокон по клеевому слою: минимальный уровень 6 МПа для конструкционных материалов, 4 МПа - для обшивочных), которая зависит от плотности и влажности древесины, а также типа связующего /174, 181/;

- содержание поздней древесины по объему (показатель плотности древесины), а также в контактном слое, при ее дальнейшем склеивании;

- направление волокон древесины.

Производство таких материалов из древесины как столярно-строительный погонаж, клееный брус, брусок, столярная плита (мебельный щит), клееные деревянные конструкции, столярно-строительные изделия, мебель, деревянные дома заводского изготовления, требует использования пиломатериалов с определенными свойствами.

Помимо этого, можно сделать вывод о несоответствии существующих методов оценки качества пиломатериалов требованиям, предъявляемым к продукции деревообрабатывающих производств.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Тамби Александр Алексеевич, 2016 год

- -

85

75

ос

65 X

В

55 т

45 о

§

35 о

25

8

10 82 84

Влажность древесины, %

16

Рис. 5.22. Влияние влажности на смачиваемость древесины сосны и прочность клеевых соединений при скалывании по клеевому слою 1 - зависимость прочности клеевого соединения от влажности древесины; 2 - зависимость смачиваемости древесины от ее влажности /1 44/

у = -51,935Ln(W) + 193,01 (5.15)

где у - угол смачивания поверхности древесины поливинилацетатными клеями, град; Ж - влажность древесины, 8 < Ж < 16 %,.

7

6

5

3

у = 0,0021 Ж 3 - 0,1061Ж 2 + 1,0699 Ж + 4,8447 (5.16)

где у - прочность клеевого соединения при скалывании, МПа; Ж - влажность древесины, 8 < Ж < 16 %.

Влияние расхода клея на прочность клеевого соединения с точностью Я = 0,9694 описывается уравнением (5.17) и графически представлено на рис. 5.23.

у = 0,00000156д3 - 0,0007697д2 + 0,12447д - 0,4639 (5.17)

где у - прочность клеевого соединения при скалывании, МПа; q - расход клея, 60 < д < 200 г/м2.

о

Расход клея, г/м

Рис. 5.23. Изменение прочности клеевого соединения с использованием поливинилаце-татных связующих, МПа, в зависимости от расхода клея

Анализ полученных зависимостей показал, что при расходе клея 120 -

л

140 г/м , и влажности древесины 10±2% достигается максимальная прочность склеивания. С дальнейшим увеличением расхода клея прочность клеевого соединения снижается, что может быть результатом увеличения толщины клеевого соединения за счет скопления клея между склеиваемыми поверхностями без проникновения его в древесину, т.к. поры уже заполнены. При

л

уменьшении расхода клея менее 120 г/м прочность клеевого соединения составляет меньше требуемой, предъявляемой к материалам из клееной цельной древесины требованиями ГОСТ.

Анализ параметров клеевого соединения и глубины проникновения клея вглубь древесины может быть выполнен методами сканирующей микроско-

пии /144/ или микротомографии /161/, что позволит оценить проникновение клея в микроэлементы древесины.

Гистограмма влияния давления прессования на прочность клеевого соединения приведена на рис. 5.24.

0

m I—

§ l

.Q X

I- Ф

Я 1

? S

1

6.4 6,3 6,2 6,1

6 5,9 5,8 5,7 5,6

5.5

0,68 0,824 0,934

Давление прессования, МПа

Рис. 5.24. Влияние давления прессования на прочность клеевых соединений

Анализируя диаграмму, представленную на рис. 5.24, можно сделать вывод, что минимально допустимое давление прессования, для достижения требуемой ГОСТ прочности клеевого соединения, составляет 0,68 МПа. С учетом математического ожидания минимальная зафиксированная прочность клеевого соединения составляет 6,02 МПа, что является допустимым.

Выявление степени влияния факторов на качество формируемых клеевых соединений определено методом проведения полнофакторного эксперимента.

В качестве выходного параметра определена толщина зоны древесины, пропитанной клеем, которая зависит от факторов, представленных на рис. 1.16, а также является критерием прочности клеевого соединения. Уровни варьирования факторов представлены в табл. 5.2, результаты исследований представлены в табл. 5.3, на основе экспериментальных данных выведено уравнение множественной корреляции (5.18), позволяющее определить зна-

чимые факторы, оказывающие влияние на процесс формирования клеевого соединения.

у = 115,93 - 0,41 Ш + 0,001^ - 1,58Р - 0,027р - 2,79к (5.18)

где у - прочность склеивания, МПа; Ж - влажность древесины, 8 < Ж < 16 %; q - расход клея, 60 < д < 200 г/м2; Р - давление прессования, 0,68 < Р < 0,945 МПа; р - плотность контактных слоев древесины, 500 < р< 519,5 кг/м3; к -толщина склеиваемых ламелей, 32,5 < к < 32,7 мм.

Таблица 5.2

Переменные факторы и уровни их варьирования

№ п/п Фактор Обозначение фактора Размерность У ровни фактора Интервал варьирования

Нижний Основной Верхний

1 Влажность древесины Х1 Ж % 8 12 16 4

2 Расход клея Х2 q г/м2 120 160 200 40

3 Давление прессования Хз р МПа 0,68 0,813 0,945 0,131

4 Плотность контактных слоев древесины х4 Р кг/м3 500 509,75 519,5 9,75

5 Толщина ламелей Х5 к мм 32,5 32,6 32,7 0,1

Таблица 5.3

Результаты исследований

Параметр Коэффициент регрессионного уравнения Коэффициент корреляции Стандартное отклонение ^ критерий Фишера 1 критерий Стъюден-та 1 критерий Стъюден-та табл. q =0,05

Х1 -0,41 0,73 0,11 4,249 -3,77 3,707

Х2 0,001 0,01 0,14 3,707

Х3 -1,58 1,46 -1,08 3,707

х4 -0,027 0,01 -1,96 3,707

Х5 -2,79 1,48 -1,88 3,707

В текущих условиях значимым фактором регрессионного уравнения является только влажность склеиваемой древесины. Анализ полученного уравнения позволяет установить степень влияния каждого из факторов на проч-

ность клеевого соединения. Наименьшим влиянием обладает расход клея. При фиксировании влажность на уровне 10 ± 2% был проведен повторный отсеивающий эксперимент для остальных факторов.

Результаты исследования представлены в табл. 5.4 и описываются уравнением (5.19).

Таблица 5.4

Результаты исследования

Параметр Коэффициент регрессионного уравнения Коэффициент корреляции Стандартное отклонение Я критерий Фишера 1 критерий Стъюден-та 1 критерий Стъюден-та табл.

Х2 0,01 0,67 0,01 3,14 2,31 1,53

Хз 0,08 0,68 0,12 1,53

Х4 -0,01 0,01 -1,59 1,53

Х5 -1,14 0,69 -1,65 1,53

у = 47,37 + 0,001д + 0,08Р - 0,009^- 1,14Н (5.19)

где 120 < д < 200 г/м2; 0,68 < Р < 0,945 МПа; 500 <р< 519,5 кг/м3; 32,5 < Н < 32,7 мм.

В полученном регрессионном уравнении (5.19) значимыми факторами являются все, кроме давления прессования. Из этого следует, что в матрицу планирования полнофакторного эксперимента должны быть включены следующие факторы: расход клея, плотность контактных слоев древесины, толщина ламелей перед склеиванием. Исходя из малого допустимого диапазона варьирования толщины ламелей, принято решение зафиксировать их толщину равной 32,5 мм. Также, оперируя данными, полученными другими исследователями о роли давления прессования во взаимодействии с другими факторами /99, 166/, решено в матрицу планирования эксперимента ввести давление прессования.

Таким образом, проведенные в разделах исследования позволяют принять в качестве постоянных следующие технологические факторы на уровнях:

1. Порода древесины - сосна;

2. Влажность древесины - 10 ± 2%;

3. Толщина склеиваемых ламелей 32,5 ± 0,2 мм ;

4. Шероховатость поверхности древесины - менее 60 мкм;

5. Вид клея - «Клебит - 303»;

6. Температура окружающей среды - 18-20 оС.

Основным требованием при выборе уровня варьирования факторов явилось условие технологической непротиворечивости, т.е. при любом сочетании варьируемых факторов прочность склеивания должна соответствовать требованиям ГОСТ.

Соответствующие уровни варьирования факторов приняты на основе существующей технологии производства клееных брусков для окон, используемой на деревообрабатывающих предприятиях.

В качестве критерия качества формирования клеевого слоя принята толщина рентгеновской тени клеевого соединения, определяемая по разработанному алгоритму /144, 169/. Методика оценки защищена патентом РФ /143/.

Размер рентгеновской тени клеевого соединения к может быть определен по следующему алгоритму:

1) Перевод рентгеновского изображения в цифровой вид. В зону изображения должны попасть: клеевое соединение и 0,5 высоты ламели, рис. 5.25. Это ограничение служит для повышения скорости обработки, без деления изображения на зоны, а также для возможности обработки цельного изображения клееных брусков без потерь и наложения изображения;

2) При помощи градиентного перехода цвета (черное-белое) с применением программных средств с требуемой точностью определить высоту белой тени к, мм, характеризующей клеевой слой, рис. 5.26;

3) Пороки древесины могут быть определены графическим способом (используя фильтр градиентного перехода черное-белое), при котором клеевое соединение и скрытые пороки древесины (сучки) будет характеризоваться белым цветом, рис. 5.26, а цельная древесина будет представлена черным

цветом. Насыщенность цвета также характеризует плотность тела, светлым представляются более плотные места.

Древесина

Клеевой слой

........................^ к г

1 к /

В

ч «

|=5

а)

Клеевое соединение

Сучки

б)

Рис.5.25. Толщина клеевого соединения а - схематичное представление, б - определенная методом рентгенографии

Связь между прочностью клеевого соединения и толщиной рентгеновской тени, определенной методом рентгенографии, может быть описана уравнением (5.19) /143/ и графически представлена на рис. 5.27.

у = -0,4073 • 1п (х)+6,3534 (5.20)

где у - прочность клеевого соединения, МПа; х - толщина «рентгеновской тени» клеевого соединения, 0,5 < х < 5,5 мм.

Исследования показывают, что используя полученную зависимость (5.29) можно с требуемой степенью достоверности определять реальную прочность клеевого соединения.

Клеевые соединения

Деревянные бруски с различной ориентацией волокон

Сучок

Клеевое соединение имеющее дефект

Сучок

Соединение на зубчатый шип

В промышленности толщину рентгеновской тени целесообразно измерять на основании поглощения потока рентгеновского излучения в Ни, осуществляя непосредственный перевод толщины «рентгеновской тени» клеевого соединения в математический вид и сравнивая с эталоном.

1 2 3 4 5 6

Толщина рентгеновской тени клеевого соединения, мм

Рис. 5.27. График изменения прочности клееных балок из цельной древесины в зависимости от толщины рентгеновской тени

На основании данной методики, анализа литературных источников и результатов собственных исследований определена степень влияния основных технологических факторов на прочность клеевого соединения. Данные по замерам отражены в приложении 8. Реплика результатов измерений для одного из брусков приведена на рис. 5.28.

Измерения сделаны в программе AutoCAD 2006 при использовании реального масштабирования и программных средств измерения, план ПФЭ приведен в табл. 5.5, уравнение регрессии выражено уравнением (5.21).

у = 23,644 - 0,0443р + 0,012q , (5.21)

где У - толщина рентгеновской тени, мм; р - плотность контактных слоев

-5 ■J

древесины, 500 < р < 519,5 кг/м ; х3 - расход клея, 120 < q < 200 г/м .

Анализ полученного уравнения показывает, что большое влияние на величину «рентгеновской тени» клеевого слоя оказывает плотность контактных слоев древесины. С ее увеличением толщина клеевого слоя уменьшается. При этом изменяются условия распределения связующего по склеиваемым

поверхностным слоям ламелей. Излишки клея, не проникающие в полости древесины, выдавливаются. Конечная прочность клееных брусков, таким образом, в большей степени зависит от прочности контактных слоев древесины. Вместе с тем, при низкой плотности древесины даже значительное проникновение клея вглубь ламелей не может гарантировать прочности клеевого соединения, величина которой будет зависеть от плотности чистой древесины и ее связи с клеем.

4,5 ^

= 4 -------------------

з

а> 3,5-------т---------------

>| з-------!---V-------------

и

Длина бруска, м

Рис. 5.28. Рентгенограмма зоны древесины, пропитанной клеем

Таблица 5.5

План ПФЭ с результатом статистической обработки наблюдений

Номер опыта Х2 Х3 У у * у2

1 +1 + 1 +1 3,84 2,96

2 -1 + 1 +1 2,41 1,79

3 +1 -1 +1 2,04 0,52

4 -1 -1 +1 5,57 1,05

5 +1 + 1 -1 2,30 2,02

6 -1 + 1 -1 1,64 0,81

7 +1 -1 -1 3,00 0,46

8 -1 -1 -1 3,04 1,05

Расход клея оказывает меньшее влияние на прочность клеевого соединения. При приложении требуемого давления и возможности проникновения клея в полости древесины (связанной с влажностью древесины и ее плотно-

стью) возможно формирование клеевого соединения при малых объемах его нанесения.

Малое количество клея в соединении может спровоцировать непрокле-енность участков, имеющих пороки изготовления и т.д. Изменение толщины «рентгеновской тени» может быть вызвано также различным направлением волокон древесины, отклонением размеров и шероховатостью заготовок.

С другой стороны, малая толщина «рентгеновской тени» может быть вызвана повышенной плотностью контактных слоев древесины в этой точке, как при наличии сучка, так и при наличии в окрестности этой точки менее плотной древесины, в полости которой клею легче проникнуть.

На диаграмме 5.29 представлена зависимость прочности клеевого соединения от расхода клея и плотности древесины.

го

■= 6,1

Е 6,05

Ш

6

5,95

О о

0 5,9

1 5,85

ш

§ 5,8 .а

Б 5,75 О

т о

5,7

5,65

КЛеЯ, Г/М2

Рис. 5.29. Зависимость прочности клеевого соединения, МПа, от расхода клея и плотности древесины

Рациональным режимом склеивания, обеспечивающим в установленных пределах минимальную толщину клеевого соединения, а, следовательно, и прочность клееных изделий из цельной древесины, является: расход клея -

л

120 - 140 г/м - т.е. стремящийся к минимальному значению, обеспечиваю-

щему сплошность клеевого соединения; плотность контактных слоев древесины - 515 - 519,5 кг/м - стремящаяся к увеличению в исследованном диапазоне; давление прессования - свыше или равное 0,68 МПа.

Необходимость использования древесины высокой плотности подтверждается и при использовании других связующих, рис. 5.30.

Полученный режим склеивания обеспечивает требуемую ГОСТ прочность клеевого соединения, а также при определенных уровнях остальных влияющих факторов, установленных в разделе 1, доказывает возможность применения для контроля формирования клеевых соединений цельной древесины метода рентгенографии.

10

о

350 400 450 500 550 600 650

Плотность, кг/м3

1 Древесина 2 -■- ПВА 3 ЭПИ

Рис. 5.30. Зависимость прочности клеевых соединений и древесины от ее плотности при

скалывании вдоль волокон /181/

При использовании цифровых комплексов типа Вид-Х и Визир-3 процесс получения и обработки информации выглядит следующим образом. После включения рентгеновского излучателя поток излучения образует на экране преобразователя теневое оптическое изображение контролируемого предмета. Это изображение считывается камерой и в цифровом виде переда-

ется в персональный компьютер. Затем изображение внутреннего строения предмета выводится на экран монитора. Полученное изображение может быть представлено в позитивном, негативном, псевдоцветном и дополнительно проконтрастированном виде. В случае необходимости полученные изображения записываются в долговременную память (архив). В программном обеспечении реализована возможность цифрового увеличения любого участка изображения.

Исходя из выполненного анализа факторов, оказывающих влияние на качество формирования клеевых соединений, рис. 1.16 и результатов проведенных исследований, установлено:

1. Наибольшим влиянием на качество формирования клеевых соединений обладает плотность древесины, особенно в области контактного слоя, куда непосредственно проникает связующее. Склеивание древесины сосны

-5

плотностью менее 450 кг/м3 /181/ не позволяет обеспечить прочность клеевых соединений конструкционных материалов на установленном в стандартах уровне.

2. Технологические факторы, определяющие качество клеевого соединения, такие как влажность, расход клея, давление прессования, разнотол-щинность ламелей, шероховатость поверхности и т.д. должны быть обоснованы и выдерживаться на требуемых уровнях.

3. Основным направлением повышения качества склеивания цельной древесины должно являться исключение из технологического процесса древесины несоответствующей плотности, что может выполняться на этапе лесозаготовительных работ при оценке лесосек, либо на лесопильных предприятиях перед раскроем бревен на пиломатериалы или же оценке должны подлежать непосредственно пиломатериалы перед склеиванием.

4. Поскольку процесс формирования клеевых соединений является многокритериальным и включает в себя факторы, от физических свойств древесины до температурно-влажностных условий на участке склеивания, варьи-

рующих в широких диапазонах, целесообразно осуществление контроля прочности и сплошности готовых клеевых соединений.

5. Применение оптической микроскопии является достаточно информативным, однако также связано с разрушением образцов и не подходит для промышленного сплошного контроля /164/. Для оценки качества формирования клеевых соединений является целесообразным использование неразру-шающих методов контроля, основанных на эффекте ослабления рентгеновского излучения /144/ или ультразвуковых колебаний /155, 179/, при прохождении через измеряемый объект.

5.5. Исследование структуры клеевых соединений

При формировании клеевого соединения необходимо добиться требуемой ГОСТом сплошности и прочности по всей длине склеиваемых поверхностей. Проникновение ПВА клеев в полости древесины увеличивает площадь контактных слоев, что позволяет обеспечить большую прочность клеевого соединения.

Наиболее распространенным способом исследования клеевого соединения в настоящее время является световая микроскопия, позволяющая с требуемой точностью оценить глубину проникновения клея в древесину. На рис. 5.31 представлена фотография клеевого соединения, полученная при использовании световой микроскопии.

Используя разрушающие методы контроля в совокупности с оптической микроскопией, невозможно добиться достоверных данных о толщине клеевого слоя по всей плоскости склеивания. Разрушающая дефектоскопия представляется длительной и энергозатратной, а также не дает представления о прочности клеевого соединения по всей поверхности склеенной древесины.

Для более мощного увеличения до 100 - 200 раз и получения достаточно четкого изображения необходимо использование микротома и световых микроскопов, работающих в проходящем свете, при этом возникает опасность

разрушения клеевого соединения образца. При помощи световой микроскопии можно определять толщину зоны древесины, пропитанной клеем, а также сплошность клеевого соединения на отдельных участках. К достоинствам метода световой микроскопии можно также отнести простоту в использовании, а также невысокие требования к квалификации обслуживающего персонала.

Рис. 5.31. Иллюстрация клеевого соединения, полученная при использовании световой микроскопии с 10-кратным увеличением, где к - толщина зоны древесины пропитанной клеем

При помощи рентгенографии возможно определение толщины клеевого соединения, его сплошности, а также плотности и наличия пороков строения древесины.

Методы оптической и электронной микроскопии пригодны для оценки толщины клеевого слоя, а также совокупной зоны клеевого шва и зоны древесины, пропитанной клеем.

Недостатками методов является сложность достоверной оценки проникновения связующих внутрь древесины, что не позволяет обосновать требования к пиломатериалам.

Для получения информации не только о толщине клеевого соединения, но о его структуре был использован электронный сканирующий микроскоп, позволяющий получить изображение с 500-кратным увеличением.

На рис. 5.32 представлены фотографии клеевого соединения, полученные при помощи электронного сканирующего микроскопа «HITACHI».

На представленных фотографиях затруднено обнаружение местоположения клея и выявление направления волокон древесины, что объясняется

технологией их получения, с использованием напыления на клеевое соединение сусального золота. Однако частичное заполнение полостей древесины позволяет сделать вывод о возможности проникновения в них ПВА клеев. В противном случае клеевое соединение выглядело бы в виде равномерной плоскости с неразличимыми полостями.

Рис. 5.32. Иллюстрация исследования клеевого соединения методами электронной микроскопии и структура клеевого соединения при: а-50-ти кратном увеличении, б-100 кратном увеличении, в-200 кратном увеличении,

г - 500 кратном увеличении.

Анализируя фотографии клеевого соединения, представленные на рис. 5.32, можно отметить следующее:

- клеевое соединение представляет собой однородную массу, состоящую из поверхностных (контактных слоев) древесины и связующего;

- при использовании ПВА клеев возможно создание клеевых соединений с проникновением связующего в полости древесины, что видно на рис. 5.32 г, тем самым обеспечивая большую площадь контакта;

Основными недостатками световой и сканирующей микроскопии является невозможность их применения в поточном производстве для всех образцов, что обусловлено необходимостью разрушения клееных материалов для проведения исследований, а также отсутствием возможности дефектоскопии по всей площади клеевого соединения.

Исследования древесины и клеевых соединений методами оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и рентгенографии позволяют изучать строение древесины в области клеевого соединения, толщину и сплошность клеевого слоя. Однако, их применение не даёт возможность достоверно определить глубину проникновения связующего в микроэлементы древесины, от которой зависит площадь контакта. При использовании сканирующей электронной и оптической микроскопии необходимо использование микротома для изготовления образцов в области клеевого соединения, что может привести к его деформации, и, как следствие, к искажению точности получаемых результатов. При использовании рентгенографии на приемнике излучения происходит наложение элементов внутреннего строения образцов, что не позволяет выделить микроэлементы, в которые проникает связующее.

Применение микротомографии для исследования клеевых соединений древесины позволяет оценить сплошность клеевого слоя и глубину проникновения клея в древесину с точностью до 700 нм без разрушения образцов в области клеевого слоя. При таком разрешении появляется возможность определить проникновение клея в микроэлементы (трахеиды, сосуды и т.п.).

Для исключения влияния таких факторов как разрезание клееных сортиментов и клеевого слоя микротомом и изменение температурно-

влажностных условий при вскрытии клеевого соединения, использован метод компьютерной микротомографии. На рис. 5.33 приведен результат качественной оценки клеевого соединения КМФ компьютерной томографии с разрешением 2,5 мкм. В результате предварительных /76/ и вновь проведенных исследований установлено, что на толщину клеевого слоя основное влияние оказывает плотность контактного слоя, зависящая от содержания поздней древесины на поверхности склеиваемых сортиментов - что может являться основополагающим фактором при сортировке круглых лесоматериалов и обосновании схемы их раскроя.

Рис. 5.33. Влияние плотности контактного слоя древесины на толщину клеевого соединения /161/. Стрелкой указано направление повышения плотности

Рис. 5.34. Поверхность древесины сосны, разрушенная режущим инструментом, определенная методом микро томографии. 1 - поздняя древесина, 2 - ранняя древесина Анализ результатов исследования поверхности древесины перед склеиванием показывает, что ранняя зона древесины подвержена разрушению в

процессе резания в большей степени, чем поздняя, рис. 5.34, что связано с ее меньшей прочностью.

Толщина клеевого слоя для всех типов клеев уменьшается по мере приближения к поздней зоне древесины. Его количественное значение зависит от вида связующего, рис. 5.35.

100 пл

Номер наблюдения

■ КМФ ранняя-ранняя ■ ВМФ ранняя-поздняя >КК ранняя-ранняя ИКК ранняя-поздняя Рис. 5.35. Гистограмма толщины клеевого соединения на различных зонах древесины

На рис. 5.36-5.43 показаны клеевые соединения и отверждённый клей, соединяющий древесные сортименты. Снимки получены методом микротомографии и обработаны в программах CTvox (а) и DataViewer (б). Изображение отвержденного клея получено в результате обработки выходного сигнала путём исключения древесины, как вещества с отличающейся от клея плотностью.

а) б)

Рис. 5.36. Клеевое соединение, сформированное эмульсионным полимер-изоцианатным

клеем «PREFERE 6151»

а) б)

Рис. 5.37. Структура отвержденного ЭПИ клея «PREFERE 6151»

а) б)

Рис. 5.39. Структура отвержденного ПВА клея

а) б)

Рис. 5.40. Клеевое соединение, сформированное карбамидо-меламиноформальдегидным

клеем 1249

а) б)

Рис. 5.41. Структура отвержденного КМФ клея

а) б)

Рис. 5.42. Клеевое соединение, сформированное модифицированным КМФ клеем

Ч т

, и

I- Ш У

Д1 //! |

М Ш:

а) б)

Рис. 5.43. Структура отвержденного модифицированного КМФ клея

Установлено, что клей преимущественно располагается в полостях разрушенных трахеид. Эмульсионный полимер-изоцианатный клей глубже проникает в древесину через разрушенные клеточные стенки ранней древесины, увлекаемый влагой, адсорбируемой древесиной. В отличие от клеев на основе КМФ связующих, образующих монолитное клеевое соединение, располагающееся как в полостях перерезанных трахеид, так и между склеиваемыми поверхностями древесины - глобулы молекул ЭПИ клея проникают внутрь полости вскрытых трахеид, рис. 5.37а, схожее явление проникновения присуще ПВА клею, рис. 5.39а. Карбамидо-меламиноформальдегидные связующие (на основе клея 1249 и модифицированный клей) проникают только в разрушенные трахеиды на поверхности древесины, образуя толстый клеевой слой между склеиваемыми поверхностями. Клеевые соединения, сформированные этими клеями, являются монолитными, рис. 5.40, 5.42.

Из табл. 5.6 видно, что глубина проникновения связующего в древесину зависит от размера полости трахеид. ПВА, КМФ и модифицированный клей распределяются только по поверхности склеиваемой древесины в разрушенных полостях трахеид. ЭПИ клеи способны проникать во внутренние слои древесины, что позволяет получать клеевые соединения большей прочности, вероятно и за счет увеличения площади контакта.

Методом микро томографии с использованием программного комплекса СТуох была произведена оценка пористости (сплошности) отвержденного клея на поверхности трахеиды. В данных исследованиях под термином открытая пористость, понимается объем полостей, расположенных на внешней поверхности отвержденного связующего, местоположение которого выбрано случайным образом. Закрытая пористость - объем пор (полостей) находящихся внутри объема образца.

Использование микротомографии позволяет повысить достоверность результатов исследований клеевых соединений, получить новые знания о структуре клеевого слоя.

Таблица 5.6

Размеры трахеид сосны и глубина проникновения клея в древесину

ей К н

н

д

и е

ахе р

т

ы рн

с о

рс

ы н и с

а и о оо <и а ю г4 3 и и ^ пр од п

радиальный

тан-генци-альный

Вид клея

г к

«Г е л

к

д

о х с а Р

Е? я

К 4 е

я о л с

о г о в е е л к а н и

3 л о

н

ят с о н

х р

е в о п

им

я е л к

н е в о н к и н о

у

н и с е в ре

п ре

а д

нв и

б у

л

и

е н

и д

е о с

го а о С

в

и л и

Ч « ки

ь т с о н

сг

о р

С

к

е н

и д

е о с

о г о в е е л к а н и

3 л о

н

ь т с о т с

и р

о п

§

т

ы р

к т

О

ь т с о т с

и р

о п

т

ы р

к а

го

00 СП*

т т

о9

О

ПВА

140

18,66

15,6

6,4

49,84

1,5

ЭПИ

350

19,76

35,72

7,9

91,2

9,5

КК

350

40,7

14,96

6,8

67,61

19,4

КМФ

350

38,72

21,7

7,5

82,12

3,8

1,4

1,3

1,2

5,7

* В числителе приведены размеры трахеид ранней зоны годичного слоя, в знаменателе - поздней.

Поливинилацетатные и карбамидо-меламиноформальдегидные связующие, в том числе модифицированные, образуют клеевое соединение, распределяясь в полостях разрушенных трахеид, не проникая вглубь древесины.

Эмульсионные полимер-изоцианатные клеи глубже проникают в раннюю древесины, упрочняя её и увеличивая площадь контакта между клеем и древесиной, образуют сложную разветвленную структуру клеевого слоя.

Метод микротомографии может быть рекомендован для исследования отверждённого клеевого слоя, а также при разработке новых клеев и жидких лакокрасочных материалов для изучения процесса формирования клеевого соединения и лакокрасочного покрытия.

5.6. Повышение качества склеивания пиломатериалов

В результате исследований установлено, что основными факторами, оказывающими влияние на прочность клеевого соединения являются:

- плотность древесины, формируемая в процессе раскроя круглых лесоматериалов;

- влажность древесины, которая должна обеспечиваться на требуемом уровне, зависящем от свойств связующего;

- расход клея, зависящий от содержания поздней древесины на поверхности пиломатериалов.

Увеличение спецификационого выхода пиломатериалов с требуемой плотностью может быть достигнуто путем оценки свойств круглых лесоматериалов и исключения из процесса раскроя древесины с несоответствующей плотностью.

Влажность древесины может контролироваться в технологическом процессе бесконтактными влагомерами, работающие по микроволновому принципу вида рис. 5.44, которые могут встраиваться в действующие линии и не требуют остановки технологического процесса для проведения испытаний.

Рис. 5.44. Бесконтактная оценка влажности пиломатериалов на оборудовании

Brookhuis Micro-Electronics

При повышенном уровне влажности поверхности древесины, не позволяющем создать прочное клеевое соединение, может быть использована технология прогрева поверхности перед склеиванием, выполненная в соответствии с патентом РФ на полезную модель № 133047 /146/, рис. 5.45-5.46. Существуют установки для нанесения клея на поверхность пиломатериалов экс-

трузионным и вальцовым способом, а также путем налива. Принцип действия таких машин, заключается в нанесении клея на поверхность древесины при прохождении пиломатериалов по конвейерам между их рабочими органами.

Клеенаносящие установки могут быть оборудованы влагомерами, которые осуществляют контроль влажности пиломатериалов. Пиломатериалы с недопустимой влажностью, которая определяется техническими условиями производителя клеев, выбраковываются из технологического процесса.

Недостатком таких установок является невозможность изменения влажности контактных слоев пиломатериалов, при склеивании которых образуется клеевое соединение.

12 ЗЛ 4 5

Рис. 5.46. Двухстороннее нанесение клея

Как видно из рис. 5.23, увеличение влажности пиломатериалов, даже в установленных производителем границах (для ПВА клеев 8-12%), оказывает существенное влияние на прочность клеевого соединения. Для других типов клеев также наблюдается зависимость влияния влажности древесины на прочность клеевых соединений.

Устройство для сушки контактного слоя пиломатериалов перед склеиванием встраивается в конвейер подачи клееналивной машины. Пиломатериа-

лы 2, подающими вальцами 5 подаются к датчику оценки влажности 4. Если влажность древесины превышает 12%, то к поверхности пиломатериалов прижимается нагреваемый валец 3, который осуществляет сушку контактного слоя пиломатериалов в проходном режиме до влажности 8-10%, что технически осуществимо за счет малой необходимой глубины прогрева, поскольку клей проникает в древесину всего на 0,014-0,04 мм. После этого на поверхность пиломатериалов посредством клееналивной машины 1, рис. 5.45, или вальцов 6 (при одно или двухстороннем нанесении), рис. 5.46, наносится клей и пиломатериалы загружаются в пресс.

По данному принципу оценки влажности древесины перед склеиванием установка может быть усовершенствована установкой оптического датчика содержания поздней древесины, регулирующего расход связующего в зависимости от структуры поверхности, и/или рентгенографической установкой, с помощью которой может быть определено внутреннее строение древесины и, в совокупности с датчиком влажности - ее плотность.

5.7. Разработка логистической схемы контроля сырья и материалов по качественным характеристикам

Разработанные в разделе 2 модели и алгоритм формирования древесных материалов с требуемыми свойствами позволяют определить местоположение зон древесины в стволе дерева, обладающих требуемыми физико-механическими свойствами, что существенно увеличивает качественный выход пиломатериалов. Однако, поскольку на древесину в процессе роста оказывает влияние большое количество факторов, связанных с геоклиматическими условиями, а состояние самой древесины претерпевает изменение в процессе выполнения технологических операций, необходима организация дополнительных мероприятий по контролю свойств и состояния, как круглых лесоматериалов, так и формируемой пилопродукции. Особенно важно проведение такого контроля при раскрое бревен неправильной формы, а также

криволинейных лесоматериалов, которые необходимо распиливать вдоль образующей /46/, что позволяет увеличить выход пилопродукции и обеспечить равномерность распределения свойств по объему формируемых пиломатериалов за счет меньшего перерезания волокон.

Использование для этих целей оборудования неразрушающего контроля позволит исключить из технологического процесса производства ответственных древесных конструкций древесину малой плотности, а также имеющую пороки внутреннего строения, такие как трещины, гнили, а также недопустимый наклон волокон, крень и т.д.

Логистическая схема контроля сырья и материалов по качественным характеристикам с обоснованием вида оборудования приведена на рис. 5.47.

Схема контроля сырья и материалов начинается с аналитического определения местоположения в хлыстах зон с требуемыми физико-механическими свойствами 1, выполняемого по разработанному в части 2 алгоритму с учетом данных денситограмм. Данный расчет может быть выполнен с помощью специализированного программного комплекса 2, основанного на данных исследований сортимента методами КТ и МРТ. На основании проведенного анализа выполняется раскряжевка хлыстов по длине и производится оценка распределения влажности 3 с помощью разработанного метода магнитно-резонансной томографии 4. У раскряжеванных круглых лесоматериалов определяется внутреннее строения 5, а также размеры и форма сортиментов с помощью разработанного метода компьютерной томографии 6. Результаты исследования внутреннего строения методами томографии анализируются блоком 7 по критерию соответствия внутреннего строения известным распределениям свойств по объему лесоматериалов. В случае наличия отклонений от известного распределения физико-механических свойств они фиксируются, и подается команда на корректировку поставов относительно определенных зон бревен в блок 8. Вся информация, собираемая методами томографии, накапливается в блоке сбора статистической информации 9 и учитывается при определении схемы раскряжевки хлыста 1 для каждой лесосеки.