Повышение объемного и качественного выхода радиальных пиломатериалов при секторно-совмещенном способе раскроя бревен тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат технических наук Щепкин, Владимир Борисович

• Щепкин, Владимир Борисович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Щепкин, Владимир Борисович

Введение.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса.

1.1 Способы получения клееной пилопродукции.

1.2 Оборудование для получения секторов.

1.3 Прочность и долговечность клееных соединений из древесины.

1.4 Моделирование поверхности древесины.

1.5 Выводы по главе. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. Аналитическое определение размеров геометрических элементов секторных пиломатериалов.

2.1 Определение размеров геометрических элементов сырых, сухих, строганных и клееных секторов.

2.2 Влияние величины центрального угла а на размеры геометрических элементов секторов.

Выводы.

ГЛАВА 3. Планирование раскроя бревен на секторные пиломатериалы.

3.1 Аналитический расчет объемного выхода секторных пиломатериалов.

3.2 Влияние центрального угла на объемный выход секторных пиломатериалов.

3.3 Секторные пиломатериалы одной толщины из бревен разных диаметров.

3.4 Точность сортировки пиловочных бревен по диаметрам.

3.5 Выбор оптимальной длины бревна для получения секторных пиломатериалов.

3.6 Методика планирования раскроя бревен на секторные пиломатериалы.

3.7 Сравнительный объемный выход обрезных досок и секторов в зависимости их толщины.

Выводы.

ГЛАВА 4. Исследование размерно-качественной характеристики секторных пиломатериалов, продолжительности и кинетики их сушки.

4.1 Технические требования к размерам и качеству секторов.

4.2 Методика выбора режима камерной сушки секторных пиломатериалов

4.3 Исследование кинетики сушки пиломатериалов секторного и прямоугольного сечения.

Выводы.

ГЛАВА 5. Анализ прочности радиальных клеевых соединений.

5.1 Структурная модель поверхностного слоя радиального среза древесины хвойных пород.

5.2 Влияние степени заполнения объема радиальной поверхности древесины клеем на прочность соединения.

5.3 Экспериментальное исследование прочности и формоустойчивости секторных клееных пиломатериалов.

Выводы. Ю

ГЛАВА 6. Определение технико-экономической эффективности производства клееных секторных блоков.

6.1 Особенности технологии изготовления клееных секторных блоков и область их применения.

6.2 Планировочные решения участков изготовления секторов и клееных блоков.

6.3 Экономическая эффективность производства клееных секторных пиломатериалов.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение объемного и качественного выхода радиальных пиломатериалов при секторно-совмещенном способе раскроя бревен»

Актуальность темы.

В последнее время, в России и за рубежом, отмечается стабильный спрос на высококачественные пиломатериалы, особенно при изготовлении столярно-строительных изделий. Причем предпочтение отдается пиломатериалам радиальной распиловки (угол наклона годичных колец к пласти 60-90°) и клееным. Первые имеют меньшую склонность к растрескиванию и усушке, короблению, большую прочность на изгиб и истирание, по сравнению с тангенциальными. Такие пиломатериалы вырабатывают развально-секторным и брусово-секторным способами только из толстомерных бревен (диаметром 40 см и более). Причем их объемный выход составляет не более 40 % при общем расчетном выходе обрезных пиломатериалов 58-62 %. Из тонкомерного сырья (диаметром 14-24 см), распиливаемого, как правило вразвал, получают обрезные пиломатериалы смешанной распиловки (являющиеся менее качественными и ценными), с расчетным выходом не более 50-55 %. Вторые обладают высокой формоустойчивостью, что обусловлено отсутствием в них внутренних напряжений, имеют большую прочность по сравнению с массивной древесиной. Однако и в этом варианте объемный выход конечной продукции составляет не более 50 %.

Для повышения объемного (до 70 % и более) и качественного выхода пилопродукции предложен (в виде патентов) ряд способов, согласно которым бревна подлежат раскрою вдоль на фрагменты непрямоугольного сечения и склеиванию в блоки. В этом ряду наиболее рациональным является секторно-совмещенный способ, который предусматривает получение из бревна секторов (секторных пиломатериалов) и формирование из них двух-, трех- и многослойных клееных блоков. Последние могут служить самостоятельной продукцией или распилены на спецификационные заготовки. При этом вся продукция может быть радиальной. Однако для реализации в промышленности указанных способов необходима разработка методологии получения и склеивания фрагментов бревен в блоки.

В связи с реализацией стратегии сбережения лесных ресурсов в качестве ее научного сопровождения актуальной задачей является разработка способов позволяющих увеличить объемный выход (до 70 % и более) и повысить качество обрезных пиломатериалов, в том числе и радиальных за счет склеивания секторов.

Цель работы.

Увеличение объемного и качественного выхода радиальных пиломатериалов за счет разработки и оптимизации параметров технологических операций получения и склеивания секторов.

Задачи исследования.

1. Разработать аналитический аппарат, позволяющий планировать раскрой бревен на сектора и на всех стадиях технологического процесса изготовления клееных секторных блоков, а также в условиях переменной влажности, определять параметры их поперечных сечений.

2. На основе экспериментальных исследований обосновать параметры размерно-качественной характеристики секторов для последующего их склеивания в блоки.

3. Теоретически обосновать и экспериментально исследовать продолжительность сушки секторных пиломатериалов.

4. Разработать технологические структурные модели, участвующих в склеивании поверхностных слоев радиального среза древесины сосны и ели и выявить условия формирования прочности радиального клеевого соединения.

5. Обосновать технико-экономическую эффективность изготовления клееной секторной пилопродукции. Аппробировать и внедрить результаты исследований в промышленность.

Объект исследования.

Секторно-совмещенный способ раскроя бревен. Методы исследования.

Поставленные задачи решались посредством теоретических и экспериментальных исследований. Методика исследований соответствовала общепринятым в деревообработке стандартам и нормативам. Полученные данные обрабатывались методами математической статистики.

Научная новизна работы.

1. Разработан аналитический аппарат для определения размерных параметров поперечного сечения секторов и радиальных клееных секторных пиломатериалов на всех стадиях технологического процесса изготовления продукции и в условиях переменной влажности, отличающийся тем, что учитывает механическую обработку древесины, её линейную радиальную и тангенциальную усушку и разбухание, а также радиальную направленность клеевых швов.

2. Разработана методика оптимального планирования раскроя пиловочных бревен на спецификационные радиальные секторные пиломатериалы, отличающаяся учетом формы поперечного сечения, величины центрального угла и окончательных размеров секторов после высушивания.

3. Разработаны технологические структурные модели, участвующих в склеивании поверхностных слоев радиального среза древесины хвойных пород - сосны и ели, отличающиеся учетом размеров и количеством трахеид ранней и поздней зоны древесины и позволяющие определять емкость и контактную поверхность заполненного клеем слоя, а также условия формирования клеевого соединения.

4. Предложена методика определения продолжительности сушки секторов, отличающаяся учетом формы поперечного сечения пиломатериалов.

Значимость для теории.

Расширены и дополнены теоретические основы получения секторных клееных пиломатериалов, учитывающие:

- изменение поперечного сечения секторов на различных технологических стадиях;

- размерно-качественную характеристику секторов и продолжительность их сушки;

- структуру, участвующего в склеивании поверхностного слоя радиального . среза древесины сосны и ели;

- напряженное состояние радиальных клееных соединений;

- физико-механические свойства древесины сосны и ели в радиальном направлении бревна.

Значимость для практики.

Деревообрабатывающая отрасль России получает основы технологического процесса изготовления формоустойчивых клееных секторных пиломатериалов:

- методику планирования оптимального раскроя бревен на сектора;

- рациональные параметры размерно-качественной характеристики секторов для последующего их склеивания; технологию формирования клееных радиальных секторных пиломатериалов; конструктивные решения по модернизации горизонтального ленточнопильного станка для производства секторов;

- модель поточной линии для производства секторных клееных блоков, включающую участки оцилиндровки и раскроя бревен на сектора, их сушку и склеивание в блоки.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Аналитический аппарат для определения размерных параметров секторных клееных пиломатериалов на всех технологических стадиях их изготовления и в условиях переменной влажности.

2. Методика оптимального планирования раскроя пиловочных бревен на спецификационные секторные пиломатериалы.

3. Методика определения продолжительности и кинетики сушки секторных пиломатериалов.

4. Структурная технологическая модель, участвующего в склеивании поверхностного слоя радиального среза древесины сосны и ели.

Достоверность научных положений подтверждается допустимой относительной погрешностью результатов эксперимента, актами внедрения предлагаемых технологических решений на ООО "Ниса" и ООО ТД "Воронежсрубдизайн" (г. Воронеж) технико-экономическим обоснованием их применения в производстве.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы отмечены золотой медалью на Всероссийском студенческом конкурсе на лучшую научную работу за 2008 г, докладывались на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ГОУ ВПО "ВГЛТА" (2009 - 2011 г.г.), международной научно-практической конференции, посвященной 55-летию лесоинженерного факультета ВГЛТА "Ресурсосберегающие и экологически перспективные технологии и машины лесного комплекса будущего" (г. Воронеж 2009 г.), международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию факультета "Технология деревообработки" ВГЛТА (г. Воронеж 2010 г.), международной научно-технической конференции стран, участниц ЕврАзеС (г. Екатеринбург, 2010 г.), 11-ой международной научнотехнической интернет-конференции "Лесной комплекс: состояние и перспективы развития" (г. Брянск, 2010 г.).

Публикации результатов исследований.

По материалам диссертационной работы опубликовано 25 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, получено четыре патента РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 169 страницах печатного текста и включает 90 рисунков, 35 таблиц. Список использованных источников имеет 67 наименований, в том числе 3 на иностранном языке. Приложение содержит акты внедрения и другие материалы по теме диссертации.

Заключение диссертации по теме «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», Щепкин, Владимир Борисович

Основные выводы и рекомендации

1. Разработан аналитический аппарат, позволяющий планировать раскрой бревен на сектора и на всех стадиях технологического процесса изготовления клееных секторных блоков, а также в условиях переменной влажности, определять параметры их поперечных сечений.

2. Теоретически и экспериментально установлено, что технологически обоснованными (наименьшее количество пропилов при раскрое бревен, наибольший объемный выход - 70 % и более, отсутствие покоробленности по пласти, наименьшее количество выходящих на пласти пороков и др.) являются сектора с центральным углом 30 - 45 град, обрезанные по хорде.

3. Разработана методика определения размеров (сопоставимой толщины) секторов, позволяющая подбирать режимы их камерной сушки, скорость которой выше, а продолжительность меньше на »27 %, чем у пиломатериалов прямоугольного сечения.

4. Разработана структурная модель участвующего в склеивании поверхностного слоя радиального среза древесины сосны и ели, учитывающая их анатомическое строение. На основе их моделей теоретически исследованы условия формирования максимальной прочности клеевого соединения и определены оптимальные расходы клеев для склеивания секторных пиломатериалов. Для достижения максимальной прочности клеевого соединения необходимо, чтобы: а) расход клея обеспечивал полное заполнение всех полостей трахеид и образование промежуточного слоя клеевого состава между склеиваемыми радиальными поверхностями; б) предел прочности поверхностного слоя, заполненного клеем, был больше предела прочности клеевой прослойки и предела прочности древесины.

5. Экспериментально показана возможность получения клееных радиальных пиломатериалов из секторов с пределом прочности при статическом изгибе, превышающим на 15-30 % этот показатель у клееных пиломатериалов из досок прямоугольного сечения радиальной или смешанной распиловки.

6. Применительно к деревообрабатывающему предприятию ООО "Дондрев" разработана поточная линия, включающая в качестве основного оборудования оцилиндровочный станок позиционного типа, секторнопильный станок мощностью «680 тыс. секторов в год, и вертикальный пресс ПВС-3 для склеивания секторных панелей (размером 128x500x2000 мм) мощностью - 56900 штук в год. Экономическая эффективность предлагаемой поточной линии составляет 9151,43 тыс.руб. в год или при выпуске 1 м клееных секторных панелей - 2135,9 руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Щепкин, Владимир Борисович, 2012 год

1. Песоцкий А.Н. Лесопильное производство Текст. : учебник / А.Н.Песоцкий. М.: Лесная промышленность, 1970. 432 с.

2. Аксенов П.П. Технология пиломатериалов Текст. : учебник / П.П.Аксенов. М.: Лесная промышленность. 1976. 467 с.

3. Пат. RU 2194612 Cl, МПК В27В 1/00. Способ изготовления радиальных пиломатериалов Текст. / Ю.В. Путников. №2002101606/13; заявл. 24.01.2002; опубл. 20.12.2002.

4. Межов, И.С. Увеличение выхода спецификационных пиломатериалов Текст. / И.С. Межов // Деревообрабатывающая пром-сть. 1990. - №6. - С. 5-7.

5. Пищик, Д.И. Переработка тонкомерного сырья Текст. / Д.И. Пищик // Дерево.RU. 2005. - №4 - С. 48 - 51.

6. A.C. 891436 СССР, МКИ 3 В27В 1/100. Способ получения клееных пиломатериалов из бревен Текст. / В.А.Червинский (СССР). Опубл. 23.12.81, Бюл. №47.

7. Пат. RU 2361729, МПК В27В1/00. Способ раскроя бревен для получения клееных пиломатериалов Текст. / В.А. Червинский, В.Б. Щепкин; заявитель и патентообладатель ВГЛТА. № 2007147481/03; заявл. 19.12.2007; опубл. 20.07.09, Бюл. №20.

8. Patent US 6286571 Bl. Process for sawing logs / Martin Wiklund. Date of patent 11.09.2001.

9. Patent US 3903943 Bl. Log cutting and rejoining process / Earl Dean Hasenwinkle. Date of patent 9.09.1975.

10. A.C. 490651 СССР, МКИ 1 В27Д 1/100. Способ получении клееных заготовок радиальной распиловки Текст. / В.А.Червинский Опубл. 05.11.75., Бюл. №41.

11. Пат. RU 2159175 Cl, МПК В27В 1/00. Способ изготовления радиальных пиломатериалов Текст. / В.Т. Савенко, С.П. Исаев, Е.В. Саенко; заявитель и патентообладатель ХГТУ. №99111725/13; заявл. 01.06.1999; опубл. 20.11.2000.

12. Черных, П.П. Обоснование эффективных технологических режимов производства радиальных пиломатериалов Текст. : атореф. дис. . к-та техн. наук / П.П. Черных. СПбЛТА, 2000. - 40 с.

13. Заявка на изобретение №2005117299 от 06.06.2005, МПК В27В 1/00. Способ изготовления радиальных пиломатериалов из круглых лесоматериалов Текст. / Е.М. Рунова, А.Н. Сухих, М.С. Ведерников.

14. Ступнев, Г.К. Пиление древесины ленточными пилами вдоль волокон Текст. : учебник / Г.К. Ступнев, Н.П. Рушнов, Ю.В. Вологдин. М.: Лесн. пром-сть, 1980.-208 с.

15. Brevet FR 7906813. Classification internationale B27B 15/04. Ensemble de sciage pour la transformation de grumes en quartiers ou blocs destines au tranchage. / Andre Etienne. Date de depot 6.03.1979.

16. Хрулёв, B.M. Долговечность клеенной древесины Текст. : учеб. пособие / В.М. Хрулев, М.: Лесная промышленность, 1971.-150 с.

17. Иванов, В.М. Прочность и напряжение клеевых соединений древесины Текст. : учеб. Пособие / В. М. Иванов [и др.]. М. : Лесная промышленность, 1973. - 160 с.

18. Зимон, А.Д. Адгезия пленок и покрытий Текст. : монография / А.Д. Зимон. М.: издат-во Химия, 1974 - 392 с.

19. Дерягин, Б.В. Адгезия твердых тел Текст. : монография / Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, В. П. Смилга. М.: издат-во Наука, 1973. - 270 с.

20. Берлин, А.А, Басин, В.Е. Основы адгезии полимеров Текст. : учебник / А. А. Берлин, В. Е. Басин. М.: издат-во Химия, 1974. - 392 с.

21. Воюцкий, С.С. Аутогезия и адгезия высокополимеров Текст. : учебник / С.С. Воюцкий. М.: издат-во Научно-технич. Литературы РСФСР, 1960. - 244 с.

22. Фрейдин, A.C. Прочность и долговечность клеевых соединений Текст. : учебник / A.C. Фрейдин. М.: Химия, 1981.

23. Ермачкова, H.A. Влияние капиллярно-пористого строения древесины на растекание лакокрасочных материалов Текст. / Координационное совещание и междунар-ая научно-техн. конф. по современным проблемам древесиноведения: тез.доклад Брянск, 1995 - С. 64-65.

24. Петров, П.В. Исследование процессов облицовывания древесностружечных плит: Автореф. канд. техн. наук. Л.: 1974. - 180с.

25. Зотов, А.А О факторах, влияющих на адгезию лакокрасочных покрытий к древесине Текст. / A.A. Зотов // Сборник научных Трудов МЛТИ : сборник научных трудов/МЛТИ.-М.: 1980.-Вып. 124 С. 101-107.

26. Страхов, A.B. К вопросу о моделировании профиля поверхности древесины и древесных материалов Текст. / A.B. Страхов // Технология и материалы деревообрабатывающих производств : сборник научных трудов / МЛТИ. 1981. Вып. 131.

27. Страхов, A.B. Моделирование профиля поверхности древесины и древесных материалов Текст. / A.B. Страхов // Деревообрабатывающая пром-сть. -1982. -№4. с. 13-16.

28. Филонов, A.A. Использование маломерной древесины в производстве паркетных щитов и точеных изделий Текст. : монография / A.A. Филонов. -Воронеж : ВГЛТА, 1998. 120с.

29. Зотов, A.A., Привато Т.Е. Модель адгезионной прочности систем покрытие-подложка Текст. / A.A. Зотов, Т.Е. Привато // Сборник научных Трудов МЛТИ : сборник научных трудов / МЛТИ. М. - 1992. - Вып. 240. - С. 67-74.

30. Ветошкин, Ю.И. Описание шероховатости поверхности лущенного шпона с помощью элементов статистики случайных процессов Текст. / Ю.И. Ветошкин // Технология и оборудование деревообрабат-х производств : сборник научных трудов/Л.: 1979.-Вып. 8.-С. 48-51.

31. Щепкин, В.Б. Влияние величины центрального угла сектора на размеры его геометрических элементов Текст. / В.Б. Щепкин // Вестник ВГЛТА. 2008. - №1. -С. 140-144.

32. Щепкин, В.Б. Оптимизация и границы применимости способа раскроя бревна на секторы для последующего склеивания Текст. / В.Б. Щепкин // Технология и оборудование деревообработки в XXI веке. 2008. - №4 - С. 69-73.

33. Щепкин, В.Б. Получение секторов одной толщины из бревен разных диаметров Текст. /В.Б. Щепкин // Технология и оборудование деревообработки в XXI веке. 2008. - №4. - С. 66-69.

34. ГОСТ 24454-80 Пиломатериалы хвойных пород. Размеры М.: МНТКС, 1980.

35. Щепкин, В.Б. Исследование точности сортировки круглых лесоматериалов при их раскрое секторно-совмещенным способом Текст. / В.Б. Щепкин / Лес. Наука. Молодежь. 2008. - С. 140-144.

36. Копейкин A.M. Перспективы развития технологии лесопиления Текст. : учебник / A.M. Копейкин. М: Лесн. Пром-ть, 1989. - 104 с.

37. Сборник "Пиломатериалы, заготовки, деревянные детали" / Издательство стандартов, 1990. 464 с.

38. Кожухова, И.Г. Сбег бревна и цилиндрический выход Тест. / И.Г. Кожухова, В.Б. Щепкин // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2009. -№1. - С. 38-42.

39. ГОСТ 30971 2002 Заготовки и детали деревянные клееные для оконных и дверных блоков. Технические условия. - М.: МНТКС, 2002 - 48 с.

40. Щепкин, В.Б. Планирование раскроя пиловочных бревен Текст. / В.Б. Щепкин // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2010. - №1. - С. 54-57.

41. Калитеевский, P.E. Лесопиление в XXI веке: Технология, оборудование, менеджмент Текст. : учебник / P.E. Калитеевский. ПрофиСК, 2008. - 504с.

42. Щепкин, В.Б. Зависимость объемного выхода секторных пиломатериалов от их толщины Текст. / В.Б. Щепкин / Актуальные проблемы лесного комплекса. -2010.-№1,-С. 51-54.

43. Болдырев, B.C. Размерно-качественная характеристика сосновых секторов Текст. / B.C. Болдырев, В.Б. Щепкин, B.C. Эськов // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2010. - №1. - С. 14-18.

44. Серговский, П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины Текст. : учебник / П.С. Серговский, А.И. Расев. М.: Лесная пром-ть, 1987 -360с.

45. Щепкин, В.Б. Сравнительная сушка секторных и прямоугольных пиломатериалов Текст. / Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления. 2008. -№13. - С. 24-28

46. Перелыгин, Л.М. Древесиноведение Текст. : учебник / Л.М. Перелыгин. -М.: Лесная пром-сть, 1969. 320 с.

47. Раскатов, П.Б. Альбом микрофотографий по анатомии растений Текст. / П.Б. Раскатов // Воронеж: ВЛТИ, 1981. 82 с.

48. Волынский, В.Н., Пластинин, С.Н. Первичная обработка пилмоатериалов на лесопильных предприятиях Текст. : учебник / В.Н. Волынский, С.Н. Пластинин. М.: Риэл-пресс. 2005 256 с.

49. ГОСТ 15613.4-78 "Древесина клееная массивная. Метод определения предела прочности клеевых соединений при статическом изгибе".

50. Уголев, Б.Н. Древесиноведение и лесное товароведение Текст. : учебник / Б.Н. Уголев. М.: МГЛТА, 2010. - 272 с.

51. Айзенберг, А.И. Пути повышения рентабельности лесопильных предприятий Текст. / А.И. Айзенберг // Деревообрабатывающая пром-сть 2005 -№4, С. 8-10.

52. Стеймацкий P.M., Красиков В.И. Справочник по шпалопилению и лесопилению. М.: Лесная пром-ть, 1971. 285 с.

53. Болдырев, B.C. Технологическое проектирование лесопильных цехов Текст.: учеб. пособие / B.C. Болдырев, М.И. Кулева, А.И. Цуриков. Воронеж, ВГЛТА, 2005.-256с.

54. Пресс для бруса Бокаут-ПВ 005-3000 Электронный ресурс . Режим доступа: www.bakaut-vn.ru

55. Буркова И.В., Соболев C.B. Брикетирование ресурсосберегающее направление использования древесных отходов Электронный ресурс. - Режим доступа: www.briket-ruf.ru/articlesl .html

56. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов Утв. приказом Министерства Экономики РФ № ВК 477 от 21.06.1999, Электронный ресурс. Режим доступа: www.businesspravo.ru/Docum/

57. Безрукова, T.Л., экономическая оценка инвестиций на предприятиях лесного хозяйства и лесной промышленности Текст. : учеб. пособие / Т.Л. Безрукова, В.М. Бугаков, А.Н. Кочетова (Ляпунова), ГОУ ВПО «ВГЛТА». -Воронеж, 2007. 228 с.

58. Риммер, М.И. Экономическая оценка инвестиций Текст. : учеб. пособие / М.И. Ример, А.Д. Касатов, H.H. Матиенко. СПб.: Питер, 2007. - 480 с.

59. Средний темп инфляции Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.rian.ru/trend/inflationrussia201027012010/