авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тихоокеанский государственный университет»

На правах рукописи

Бегункова Наталья Олеговна

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОГАНОГО ЛИСТВЕННИЧНОГО ШПОНА

НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАКРОСТРУКТУРЫ ДРЕВЕСИНЫ

Специальность 05.21.05 - Древесиноведение, технология

и оборудование деревопереработки Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Исаев С. П.

Хабаровск – 2014 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................... 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................... 1.1 Лесосырьевые ресурсы и перспективы использования древесины лиственницы в производстве строганого шпона.................................................... 1.2 Оценка качественного состояния древесины при ее переработке................. 1.3 Обзор и анализ работ, посвященных производству и использованию строганого шпона....................................................................................................... 1.4 Выводы. Задачи исследования........................................................................... 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ СТРОГАНОГО ШПОНА НА ЕГО ОБЪЕМНО-КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.................................................................................................... 2.1 Аналитическое решение и методика расчета выхода строганого шпона из кряжа....................................................................................................................... 2.2 Оценка влияния условий формирования строганого шпона на качество его поверхности.......................................................................................................... 2.3 Обоснование минимального диаметра кряжа при формировании строганого шпона на станках продольного строгания.......................................... 2.4 Выводы.................................................................................................................. 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИСТВЕННИЦЫ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СТРОГАНОГО ШПОНА......................... 3.1 Исследование изменения ширины годичных слоев по радиусу и длине ствола............................................................................................................... 3.1.1 Методика исследования................................................................................ 3.1.2 Результаты исследования и их обсуждение............................................... 3.2 Определение ширины годичных слоев на торце круглого лесоматериала методом дистанционного зондирования................................................................. 3.2.1 Методика исследования................................................................................ 3.2.2 Результаты исследования............................................................................. 3.3 Построение объемной модели круглого лесоматериала.





................................ 3.4 Исследование влияния вида резания на шероховатость поверхности древесины при строгании........................................................................................ 3.4.1 Методика исследования.............................................................................. 3.4.2 Данные результатов эксперимента и их анализ....................................... 3.5 Выводы................................................................................................................ 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ КРУГЛОГО ЛЕСОМАТЕРИАЛА И СПОСОБА ЕГО РАСКРОЯ НА ОБЪЕМНЫЙ ВЫХОД И ВИД СТРОГАНОГО ШПОНА............................................................................................ 4.1 Методика численной оценки вида строганого шпона и его объемного выхода на основе информационно-математического моделирования срезаемых слоев... 4.2 Анализ влияния формы круглого лесоматериала и способа его раскроя на объемный выход и вид строганого шпона....................................................... 4.3 Выводы................................................................................................................ 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРЯЖА, УСЛОВИЙ ЕГО РАСКРОЯ И СТРОГАНИЯ НА ВЫХОД ШПОНА................................................................................................. 5.1 Обоснование выбора выходных параметров, постоянных и переменных факторов.................................................................................................................... 5.2 Разработка математической модели................................................................ 5.3 Оценка влияния основных факторов процесса строгания шпона на его объемно-качественный выход..................................................................... 5.4 Выводы................................................................................................................ 6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛАГАЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ......................................................................... ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ............................................................... СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................... ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................................... Приложение А. Промежуточные данные для расчета выхода шпона............... Приложение Б. Листинг документа Mathcad для расчета выхода шпона.......... Приложение В. Результаты замеров ширины годичных слоев образца № 2-1. Приложение Г. Свидетельства о регистрации программы для ЭВМ................. Приложение Д. Алгоритм построения модели круглого лесоматериала.......... Приложение Е. Свидетельство № 2013614119 о государственной регистрации программы для ЭВМ................................................................................................ Приложение Ж. Интерфейс программного комплекса моделирования текстуры поверхностей, формируемых при раскрое кряжа................................ Приложение И. Блок-схема алгоритма оценки вида шпона и его объемного выхода.................................................................................................... Приложение К. Свидетельство № 2013660838 о государственной регистрации программы для ЭВМ................................................................................................ Приложение Л. Интерфейс программного комплекса автоматизированного расчета объемного выхода и идентификации вида строганого шпона.............. Приложение М. Расчет коэффициентов регрессионной модели........................ Приложение Н. Акты внедрения............................................................................ ВВЕДЕНИЕ В «Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года» [124] определены основные цели, одной из которых является удо влетворение потребностей внутреннего рынка высококачественной и конкуренто способной продукцией отечественного производства, а одним из приоритетных направлений позиционируется «развитие мощностей по глубокой механической, химической и энергетической переработке древесины».





Современное состояние производства корпусной мебели характеризуется широким использованием синтетических облицовочных материалов.

Однако даже самый совершенный синтетический материал не способен обеспечить эстетическое восприятие и художественную выразительность нату ральной древесины.

В мебельной промышленности страны имеется богатый опыт применения такого вида облицовочного материала как строганый шпон. Однако на протяже нии достаточно длительного периода выпуск строганого шпона на территории Дальнего Востока был ориентирован на использование традиционных лиственных пород древесины (ясень, дуб и др.), эксплуатационный запас которых в лесном фонде Дальневосточного федерального округа в настоящее время резко сократил ся и составляет около 6 % [122].

Задачей поиска дополнительных ресурсов замены твердых лиственных по род при производстве строганого шпона занимались на протяжении многих лет, и было установлено, что лучшим заменителем древесины этих пород при облицо вывании деталей мебели является лиственница. Лиственница наиболее широко распространена в лесах Дальнего Востока, ее запас составляет 65,2 % [122]. Но за последние 20 лет размерно-качественный состав лиственничного сырья значи тельно изменился, что сдерживает вовлечение древесины лиственницы в перера ботку, связанную с производством строганого шпона. Поэтому требуется техно логическая модернизация действующих производств, которая обеспечит повыше ние эффективности производства строганого шпона из лиственницы.

Таким образом, задача вовлечения древесины лиственницы в переработку, связанную с производством строганого шпона, является актуальной.

Настоящая работа выполнена в рамках госзадания Министерства образова ния и науки Российской Федерации на выполнение НИР ФГБОУ ВПО «ТОГУ»

(договор № 1.7.12) «Моделирование раскроя круглых лесоматериалов на основе реконструктивного отображения макроструктурного строения древесины».

Степень разработанности темы исследования. Проблемами повышения эффективности производства строганого шпона занимались ученые: Л.П. Азарни на, П.В. Василевская, А.П. Комиссаров, В.И. Любченко, И.И. Михеев, В.Н. Плахов, Ю.А. Салов, А.С. Симонов, В.К. Соловьева, А.С. Торопов, В.Н. Хлебодаров, Е.С. Шарапов (Россия), А.А. Барташевич (Республика Беларусь), Э.И. Лобжанид зе (Грузия) и другие. Вопросам рационального раскроя сырья, имеющего различ ные формы образующей, посвящены работы многих исследователей: А.Е. Алек сеева, И.Л. Белозерова, В.Ф. Ветшевой, В.С. Петровского, А.А. Пижурина, М.С. Розенблита (Россия) и других. Вопросами улучшения текстуры древесины занимался Н.А. Трубников, В.А. Шамаев (Россия), математическому моделирова нию для прогнозирования сложных рисунков из шпона на декоративных элемен тах мебели посвящены работы А.А. Барташевича, Л.В. Игнатовича, А.В. Шишова (Республика Беларусь). Вопросы прогнозирования влияния морфометрических характеристик (внутренней макроструктуры) древесины на свойства готовой про дукции исследовались учеными: Л.В. Ильюшенковым, С.П. Исаевым, А.А. Тамби, А.Г. Черных, А.Н. Чубинским (Россия), М. Cerda (Чили), J. Kovanen (Финляндия).

Целью диссертационной работы является повышение эффективности про изводства строганого шпона из древесины лиственницы.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследо вания:

1) установить влияние способов раскроя кряжа и строгания шпона на его объ емно-качественные параметры;

2) исследовать влияние морфометрических характеристик лиственницы на ка чественные показатели строганого шпона;

3) исследовать влияние вида резания на шероховатость строганной поверхности;

4) разработать информационно-математическую модель прогнозирования объ емного выхода и вида (текстуры) строганого шпона;

5) изучить влияние факторов, характеризующих сырье, процессы его раскроя, строгания и прирезки шпона, на объемно-качественный выход строганого шпона;

6) разработать предложения по совершенствованию операций продольного раскроя круглых лесоматериалов и строгания шпона;

7) рассчитать экономическую эффективность внедрения технологических раз работок.

Предметом исследования являются макростроение, морфометрические ха рактеристики и процесс раскроя кряжей и строгания древесины лиственницы.

Объектом исследования является древесина лиственницы даурской.

Методология и методы исследования. Методологическую основу иссле дований составили базовые положения науки о древесине и ее свойствах. Исполь зовались научные методы планирования экспериментов;

работы ученых по иссле дованию продольного раскроя круглых лесоматериалов, их размерно качественных характеристик, производства строганого шпона;

патентная инфор мация, ресурсы Интернет;

инновационные методы и средства исследований: фо тограмметрическое зондирование, прецизионная профилография;

стандартные методики испытаний по различным ГОСТам;

современные способы обработки экспериментальных данных, математическое и программное моделирование с ис пользованием возможностей математических пакетов Mathcad и MATLAB.

Научные положения, выносимые на защиту:

применение алгоритма расчета, основанного на теории кратных интегралов, позволяет прогнозировать объемный выход строганого шпона в зависимости от схемы продольного раскроя кряжа;

внутренняя макроструктура древесины круглого лесоматериала, характери зуемая шириной и расположением годичных слоев, находится в тесной связи с морфометрическими характеристиками лиственничного кряжа;

морфометрические характеристики лиственничного кряжа позволяют вы брать схему продольного раскроя кряжей с максимальным выходом строганого шпона радиальной текстуры;

прогнозируемый объемный выход строганого шпона определенного вида релевантно оценивается на основе виртуального раскроя реконструированной мо дели круглого лесоматериала.

Научной новизной обладают:

методика расчета выхода строганого шпона, основанная, в отличие от из вестных, на использовании теории кратных интегралов, современных математи ческих пакетов и вычислительных средств;

определение характера изменения на пласти листа шпона ширины годичных слоев и наклона волокон в зависимости от морфометрических характеристик кряжа;

теоретическое и эмпирическое обоснование необходимости использования продольного раскроя сырья по сбегу и листов шпона для максимизации выхода радиального шпона при снижении границы минимального диаметра сырья;

математико-статистические модели, описывающие соотношения размеров макроструктурных элементов древесины и шероховатости поверхности шпона при различном направлении движения резания;

методика объективного определения вида строганого шпона, основанная на численной оценке прямолинейности годичных слоев в плоскости резания и доста точности предположения их параллельности;

информационно-математическая модель объемного выхода и текстуры строганого шпона.

Теоретическая и практическая значимость работы. Для теории имеют значения:

аналитическое решение задачи определения объемного выхода строганого шпона, основанное на теории кратных интегралов;

математико-статистическая зависимость изменения ширины годичных слоев в плоскости поперечного сечения круглого лесоматериала лиственницы;

уравнения регрессии, устанавливающие влияние условий резания древеси ны лиственницы на шероховатость строганной поверхности;

информационно-математическая модель круглого лесоматериала с отобра жением его внутренней макроструктуры, представляющая собой открытую разви вающуюся систему математического моделирования, имеющая обобщающий ха рактер и возможность ее использования в других областях, связанных с раскроем древесного сырья, в частности, в производстве пиломатериалов.

Для практического применения имеют значение:

обоснование минимального значения диаметра кряжа лиственницы, приме няемого в технологическом процессе производства строганого шпона;

обоснование формирования строганого шпона из лиственницы, обладающе го минимальными значениями и стабильной шероховатостью, при осуществлении продольного строгания заготовок;

объективный метод определения вида строганого шпона, основанный на численной оценке прямолинейности годичных слоев;

программный комплекс автоматизированного расчета объемного выхода и идентификации вида строганого шпона.

Внедрение результатов в производство позволит:

увеличить объемы вовлечения древесины лиственницы в переработку;

получать качественный строганый шпон из древесины лиственницы. При этом толщина шпона может быть снижена с 0,8 мм до 0,6 мм, что обеспечит уве личение его объемно-качественного выхода;

управлять процессами раскроя кряжей и строгания шпона с прогнозирова нием его объемно-качественного выхода в режиме реального времени.

Степень достоверности результатов исследований обеспечивается исполь зованием современных методов исследования, разработкой при обоснованных допущениях корректных информационно-математических и регрессионных моде лей, что подтверждается экспериментальными данными, а также положительны ми результатами промышленной проверки.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на XI-й Международной научно-технической конференции «Лесной комплекс: со стояние и перспективы развития» (Брянск, 2011 г.), на VII-м международном евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менедж мент XXI века» (Екатеринбург, 2012), на IX-й международной научно технической интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2012 г.), на Международном научно-практическом форуме «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона» (Хабаровск, 2012 г.), на III-й Международ ной заочной научно-практической конференции «Актуальные вопросы современ ной информатики» (Коломна, 2013 г.), на всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Молодые ученые в решении акту альных проблем науки» (Красноярск, 2013 г.), на II-й Международной научно практической конференции «Теоретические и практические вопросы развития научной мысли в современном мире» (Уфа, 2013 г.), на VII-м конкурсе конференции научных работ молодых ученых ТОГУ (Хабаровск, 2013);

на XVI Краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов (Хабаровск, 2014).

Технология продольного раскроя круглых лесоматериалов с применением программно-аппаратного комплекса создания реконструктивного отображения внутренней макроструктуры древесины удостоена Диплома и серебряной медали в номинации «Новые высокотехнологические разработки оборудования и науко емкие технологии» на конкурсе «Лучший инновационный проект и лучшая науч но-техническая разработка года» (Санкт-Петербург, 2013 г.).

Результаты работы защищены 4-мя патентами и 5-ю свидетельствами о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Результаты исследования приняты для использования в проектно конструкторской деятельности ЗАО «Комплексная проектная компания», при менены в проектно-конструкторской работе ООО «Дальтехнодрев» (г. Хаба ровск). Отдельные материалы диссертационной работы используются в учебном процессе Тихоокеанского государственного университета кафедры «Технология заготовки и переработки древесных материалов» по дисциплине «Технология клееных материалов и древесных плит».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Получен ные в работе основные результаты исследований соответствуют паспорту специ альности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревоперера ботки», а именно: п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)», п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высоко качественной и экологически чистой продукции» и п. 4 «Разработка операцион ных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанер ном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины».

Личное участие автора состоит в обосновании темы, предложении осново полагающих идей диссертации, в формулировке цели и решении задач исследова ния. Соискателем разработаны методики и выполнялись эксперименты по опре делению ширины годичных слоев и шероховатости строгаемой поверхности, про ведена статистическая обработка результатов. Разработка математических моде лей и создание на их основе программных комплексов в преобладающем объеме выполнены автором диссертации, ей же принадлежат основные идеи опублико ванных в соавторстве статей и патентов.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 20 печатных ра бот, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента на изоб ретение и 5 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав основного текста, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 182 страницах и включает 75 рисунков и 24 таблицы. Библиографический список содержит наименований цитируемых работ российских и зарубежных авторов. Приложения включают результаты экспериментальных данных и их обработки, свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, акты внедрения результатов диссертационной работы.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Лесосырьевые ресурсы и перспективы использования древесины лиственницы в производстве строганого шпона Строганый шпон – незаменимый натуральный материал для облицовывания деталей высококачественных изделий, изготавливаемых из малоценных древес ных пород. Кроме того, он используется для облагораживания различных других древесных материалов и тем самым имитирует образ массивной древесины цен ных пород.

В соответствии с ГОСТ 2977-82 [45] шпон может изготавливаться из лист венных и хвойных пород. На Дальнем Востоке традиционно для производства строганого шпона из лиственных пород в основном использовался ясень. Однако ясень широко используется для производства также других столярно-мебельных изделий: стульев, столов, паркета, мебельных щитов и т. п.

На территории Дальневосточного федерального округа сосредоточено 19,2 млрд. м3 древесины и лесами занято 235,9 млн. га (без кустарников) [122]. Это составляет около 27,4 % запаса древесины и 44,6 % общей площади лесного фонда территории Российской Федерации [122]. В таблице 1.1 показано распределение древостоев между хвойными и лиственными породами (без кустарников).

Таблица 1.1 – Распределение покрытых лесом земель на Дальнем Востоке Удельный вес от общей площади лесов, % Площади Территория твердо- мягко лесов, тыс. га хвойных лиственных лиственных Республика Саха (Якутия) 134211 98,6 - 1, Еврейская автономная область 1581 34,4 27,4 38, Чукотский автономный округ 1744 94,4 - 5, Приморский край 11437 55,3 28,3 16, Хабаровский край 44790 83,8 3,4 12, Амурская область 20649 70,7 2,3 27, Камчатский край 9066 12,2 64,8 15, Магаданская область 6999 97,0 - 3, Сахалинская область 5375 73,9 20,2 5, Дальний Восток 235852 86,9 5,3 7, Анализ приведенных данных показывает, что наибольшую площадь зани мают леса в Якутии (56,9 % от площадей, занятых лесами в Дальневосточном ре гионе). На втором месте находится Хабаровский край (19,0 %), на третьем – Амурская область (8,8 %). В то же время по доле лесных площадей к общей пло щади соответствующей территории впереди всех Приморский край (74,8 %), за тем идут Сахалинская (64,7 %) и Амурская области (62 %) [139].

Породный состав хвойных пород в лесах в различных территориях Дальнего Востока приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Породный состав хвойных лесов на территориях Дальнего Востока Удельный вес площади лесов по породам, % Территория сосна ель пихта лиственница кедр Республика Саха (Якутия) 7,39 0,26 0,02 92,04 0, Еврейская автономная область 1,03 28,33 14,85 27,93 27, Чукотский автономный округ 0 0 0 99,99 Приморский край 0,06 39,78 6,68 19,41 34, Хабаровский край 3,00 18,53 1,65 75,36 1, Амурская область 4,31 3,01 0,30 92,32 0, Камчатский край 1,13 16,53 0 82,34 Магаданская область 0,0 0,0 0 99,99 Сахалинская область 1,952 30,1 25,33 42,59 0, Дальний Восток (86,86 %)* 4,93 5,00 0,93 74,62 1, Примечание: * – доля хвойных лесов на территории Дальнего Востока Из хвойных пород ГОСТ 2977-82 предусматривает изготавливать шпон только из лиственницы и сосны. Из таблицы 1.2 видно, что на всех территориях, кроме Приморского края и Еврейской автономной области, лидирующее место с колоссальным преимуществом занимает лиственница. Она занимает 74,6 % от всей площади лесов Дальнего Востока, а среди группы хвойных пород – 85,9 %.

Сосна в основном в Якутии и Амурской области, она занимает на Дальнем Восто ке небольшую площадь – 4,9 %.

Что касается лиственных пород, то их состав для твердолиственных и мяг колиственных пород в лесах различных территорий Дальнего Востока приведен в таблицах 1.3 и 1.4.

Таблица 1.3 – Породный состав твердолиственных лесов на территориях ДВ Удельный вес площади лесов по породам, % Территория дуб граб ясень клен ильм береза камен.

Республика Саха (Якутия) 0 0 0 0 0 Еврейская автономная область 21,65 0 0,20 0,01 0,10 5, Чукотский автономный округ 0 0 0 0 0 Приморский край 18,31 0,00 2,76 0,06 1,12 5, Хабаровский край 0,72 0 0,19 0,01 0,06 2, Амурская область 1,98 0 0,00 0 0,01 0, Камчатский край 0 0 0 0 0 64, Магаданская область 0 0 0 0 0 Сахалинская область 0,47 0 0 0,11 0 19, Дальний Восток (5,35 %)* 1,35 0,0 0,17 0,01 0,07 3, Примечание: * – доля твердолиственных лесов на территории Дальнего Востока Таблица 1.4 – Породный состав мягколиственных лесов на территориях ДВ Удельный вес площади лесов по породам, % Территория береза осина ольха липа тополь ива Республика Саха (Якутия) 1,27 0,07 0,00 0 0,00 0, Еврейская автономная область 24,10 6,88 0,76 6,10 0,14 0, Чукотский автономный округ 0,02 0 0 0 1,36 4, Приморский край 9,56 2,07 0,46 3,53 0,38 0, Хабаровский край 9,49 1,46 0,25 0,65 0,49 0, Амурская область 25,91 0,75 0,03 0,08 0,11 0, Камчатский край 8,35 0,16 2,15 0 1,91 3, Магаданская область 0,30 0,01 0,01 0 1,07 1, Сахалинская область 2,92 0,24 1,67 0 0,23 0, Дальний Восток (7,51 %)* 5,81 0,54 0,20 0,34 0,26 0, Примечание:* – доля мягколиственных лесов на территории Дальнего Востока Из приведенных в таблицах 1.3 и 1.4 данных следует, что в качестве сырья (из твердолиственных пород) для производства строганого шпона могут пред ставлять интерес только такие породы как дуб и ясень, занимающие соответ ственно 1,35 % и 0,17 % территории лесов Дальнего Востока. Из мягколиствен ных наибольшие площади занимают следующие породы: береза (5,8 %), осина (0,5 %), липа (0,34 %), ива (0,35 %).

В таблицах 1.5 – 1.7 даны запасы хвойных и лиственных пород на Дальне восточных территориях. Данные таблиц 1.5 – 1.7 показывают, что запасы древеси ны составляют, м3/га: лиственницы – 53,2;

сосны – 5,0;

дуба – 1,3;

ясеня – 0,2;

бере зы – 4,0;

осины – 0,6;

липы – 0,6;

тополя – 0,42;

ивы – 0,33.

Таблица 1.5 – Запасы хвойной древесины в лесах на территориях ДВ Запасы древесины по породам, м3/га Площадь Территория территории сосна ель пихта лиственница кедр (без кустарников) Республика Саха (Якутия) 134210,9 7,53 0,33 0,03 55,98 0, Еврейская автономная область 1581,3 0,22 14,90 7,58 11,11 17, Чукотский автономный округ 1743,6 0 0 0 25,71 Приморский край 11437,4 0,03 40,30 5,89 18,1 36, Хабаровский край 44790,4 2,57 24,81 1,72 63,62 2, Амурская область 20649,4 2,54 3,43 0,33 68,56 0, Камчатский край 9065,5 0,06 3,44 0 9,62 Магаданская область 6998,5 0 0 0 37,02 Сахалинская область 5375,1 0,65 33,47 32,44 29,96 Дальний Восток 235852,1 5,02 8,15 1,45 53,23 2, Таблица 1.6 – Запасы твердолиственной древесины в лесах на территориях ДВ Запасы древесины по породам, м3/га Площадь Территория территории береза дуб граб ясень клен ильм (без кустарников) камен.

Республика Саха (Якутия) 134210,9 0 0 0 0 0 Еврейская автономная область 1581,3 20,20 0 0,20 0,01 0,11 7, Чукотский автономный округ 1743,6 0 0 0 0 0 Приморский край 11437,4 19,47 0 3,56 0,06 1,46 8, Хабаровский край 44790,4 0,76 0 0,234 0,01 0,08 2, Амурская область 20649,4 0,99 0 0 0 0,01 0, Камчатский край 9065,5 0 0 0 0 0 55, Магаданская область 6998,5 0 0 0 0 0 Сахалинская область 5375,1 0,46 0 0 0,09 0 11, Дальний Восток 235852,1 1,34 0 0,22 0,01 0,09 3, Сравнительная таблица площадей, занимаемых данными породами, и вели чина запасов древесины данных пород, приведены в таблице 1.8. Из данных, при веденных в таблице 1.8, видно, что из хвойных пород по запасам древесины вне всякой конкуренции на первом месте стоит лиственница (53,23 м3/га), из твердо лиственных – дуб (1,34 м3/га), а из мягколиственных – береза (4,00 м3/га). Графиче ская иллюстрация данных таблицы 1.8 показана на рисунке 1.1.

Таблица 1.7 – Запасы мягколиственной древесины в лесах на территориях ДВ Запасы древесины по породам, м3/га Площадь Территория территории береза осина ольха липа тополь ива (без кустарников) Республика Саха (Якутия) 134210,9 0,51 0,09 0,00 0 0,04 0, Еврейская автономная область 1581,3 22,41 9,18 0,40 10,05 0,19 0, Чукотский автономный округ 1743,6 0,01 0 0 0 1,42 3, Приморский край 11437,4 9,62 2,38 0,33 5,51 0,59 0, Хабаровский край 44790,4 5,40 1,23 0,12 0,99 0,90 0, Амурская область 20649,4 17,27 0,81 0,01 0,11 0,21 0, Камчатский край 9065,5 6,35 0,21 1,31 0 2,28 2, Магаданская область 6998,5 0,14 0 0,00 0 1,54 1, Сахалинская область 5375,1 1,80 0,11 0,89 0 0,29 0, Дальний Восток 235852,1 4,00 0,60 0,12 0,60 0,42 0, Таблица 1.8 – Сравнительные данные площадей, занимаемых выбранными породами, и их запасы Удельный вес площади лесов по породам (%) – числитель и их запасы (м3/га) - знаменатель Территория лиственница сосна дуб ясень береза осина липа тополь ива 74,62 4,93 1,35 0,17 5,81 0,54 0,34 0,26 0, Дальний Восток 53,23 5,02 1,34 0,22 4,00 0,60 0,60 0,42 0, Необходимо сразу отметить, что для производства высококаче ственной мебели и изделий приме няют, как правило, древесные поро ды с ярковыраженной текстурой дре весины. Такие же лиственные породы как береза, осина, липа, тополь, ива имеют слабозаметные годичные слои и только у липы и ольхи заметны Рисунок 1.1 – Площади, занимаемые сердцевинные лучи [129].

выбранными породами, и их запасы Строганого шпона производи лось в СССР по официальным данным около 300 млн. м2 [110]. Уже в этот период наибольшего развития деревообрабатывающей промышленности на Дальнем Во стоке (конец 80-х годов ХХ века) ощущалась острая проблема недостатка тради ционного сырья (ясеня) для изготовления строганого шпона [2]. Такая же ситуа ция в настоящее время сложилась и с древесиной дуба. Наибольшие площади и запасы дубовой древесины сосредоточены в Приморском крае и Еврейской авто номной области. Однако последние десять лет учет лесных ресурсов Дальнего Востока не производился, и осуществлялись большие объемы рубок на экспорт круглых лесоматериалов как ясеня, так и дуба.

По официальным данным в 2005 – 2007 гг. уровень выпуска строганого шпона в России составлял около 10 млн. м2 в год [11]. В последние три года по данным аналитических обзоров маркетинговых исследований [6] потребности в строганом шпоне постоянно возрастали (в среднем на 20 % в год). Учитывая наблюдающуюся в последние три года тенденцию роста производства мебели из древесины и древесных материалов (в среднем на 16 % в год [11]), в дальнейшем можно ожидать увеличения спроса на строганый шпон, о чем также свидетель ствуют прогнозы маркетинговых агентств [6].

В связи с этим в качестве одной из пород, серьезно расширяющей сырьевую базу производства строганого шпона на Дальнем Востоке, может быть листвен ница. Внешний вид изделия, детали которого облицованы лиственничным шпо ном, практически не уступает по своим декоративным качествам отделке такими твердолиственными породами, как ясень, бук. Разница в окраске у нее ранней и поздней древесины придает ей оригинальную текстуру, а цветная окраска допол нительно обогащает ее и улучшает декоративные свойства [121].

Однако необходимо сказать, что в объеме деловой древесины крупных круглых лиственничных лесоматериалов (толщиной от 26 см и более) содержится не более 10 % [122]. В соответствии с ГОСТ 9463-88 минимальный диаметр для строгания лиственницы должен составлять 32 см [47]. Средний же класс продук тивности лиственницы на территории Дальнего Востока невысокий (IV класс бо нитета) [87, 122]. В основном преобладает средняя группа (толщиной от 14 до 24 см), доля которой доходит до 85 %. В результате изменения таксационных по казателей эксплуатационных лесов, произошедших за последние годы, средний диаметр круглых лесоматериалов лиственницы даурской на территории Дальнего Востока составляет 24 см [122]. Такое уменьшение диаметра сырья приводит к необходимости разработки новых технологий, способствующих повышению эф фективности производства строганого шпона.

1.2 Оценка качественного состояния древесины при ее переработке Вопрос качества древесины изучался и продолжает интересовать многих исследователей применительно к конкретному технологическому процессу ее пе реработки.

В работе О. И. Полубояринова [100] отмечается, что качество древесины круглых лесоматериалов зависит от условий и целей, для которых они произво дятся. Поэтому качественная оценка древесного сырья должна осуществляться на основе применения научно-аргументированного подхода при выборе технологи ческих показателей, характеризующих определенный вид продукции деревообра ботки [62]. Качество круглых лесоматериалов определяется такими основными показателями как порода, размеры, нормы допускаемых по стандарту пороков [101]. Методы определения этих показателей хорошо известны и отражены в со ответствующих нормативно-технических материалах, а средства получения дан ных о качестве древесины постоянно совершенствуются.

Наибольшее количество работ по установлению влияния качества древеси ны на объемно-качественные показатели готовой продукции выполнено при ис следовании технологических процессов производства пиломатериалов и загото вок из массивной древесины.

Развитие теории раскроя пиловочного сырья базируется на установлении влияния различных факторов: линейных размеров и пороков формы бревен, усло вий подготовки бревен к раскрою и других – на разброс значений размеров, каче ство и объемный выход вырабатываемых пиломатериалов.

Исследованиями раскроя пиловочного сырья занимались многие ученые [3, 5, 14, 15, 25, 33, 65, 73, 81, 116, 128, 137 и др.], которые установили зависимости выхода производимых пиломатериалов от размерно-качественных характеристик перерабатываемого сырья.

В работах [97, 112] доказано, что решение задачи оптимизации раскроя дре весины от хлыстов до заготовок требует комплексного подхода, при этом необхо димо учитывать не только размерно-качественные характеристики пиломатериа лов, заготовок и определенные ограничения на них, но и знать размерно качественные характеристики самих хлыстов.

В работах других авторов при разработке планов и алгоритмов раскроя сырья предлагалось учитывать таксационные характеристики лесного фонда [70, 88].

Зарубежные исследователи придерживались такой же методики при решении аналогичных задач [142, 143, 151, 152, 156], но при этом использовали информаци онно-математические методы моделирования для отыскания оптимальных техно логических решений и, как правило, критерием оптимизации принимали прибыль.

Решение задачи по выбору рациональных схем раскроя пиломатериалов на заготовки в зависимости от макроструктурного строения древесины нашло отраже ние в работах, выполненных в ЛТА им. С. М. Кирова [58, 136]. При этом установ лено, что учет реального расположения годичных слоев на торцах пиломатериалов позволяет увеличить объемный выход радиальных заготовок на 4 % по сравнению с технологиями, где объективный наклон годичных слоев не учитывался.

Несмотря на очевидное преобладание в деревообрабатывающей промыш ленности лесопильных производств, что подтверждается значительным количе ством исследований, направленных на повышение эффективности производства пиломатериалов, технологические процессы производства шпона и материалов на его основе [52] или с его использованием занимают ведущие позиции в перечне технологий по глубокой переработке древесного сырья.

Древесное сырье, идущее на производство строганого шпона, имеет норма тивные ограничения тех или иных технических показателей – размеров, пороков и других свойств, регламентируемых соответствующими стандартами [47, 48]. Для производства строганого шпона из древесины лиственницы стандарт допускает использование круглых лесоматериалов только 1 и 2-го сортов, диаметром не ме нее 32 см и длиной не менее 2,5 м. Однако в стандарты включают не все показа тели, характеризующие качественное состояние древесины, так как понятие каче ство является еще одновременно и его экономической характеристикой [101], ко торая в данной работе не затрагивается.

Методики определения выхода строганого шпона основываются на исполь зовании теоретических и экспериментальных способов расчета. В схемах раскроя кряжей, дающих более высокий выход шпона, предлагается использовать сбего вую зону, так как стандарт на строганый шпон допускает это.

В этом способе плоскость резания проходит параллельно оси кряжа со сто роны строгания с таким расчетом, чтобы отпилить горбыль и получить потом шпон длиной не менее 0,4 м и шириной не менее 60 мм (требования к размерам шпона по ГОСТ 2977-82).

В работах [98, 99] исследованиями установлено, что использование сбего вой (параболической) зоны с одной стороны кряжа позволяет увеличить полезный выход шпона на 2,18 % (для кряжей диаметром 50 см и сбегом 2 см/м). В статье [53] отмечается, что расчеты показывают возможность увеличения выхода шпона на 1…2,5 % в зависимости от диаметра и длины кряжей (при использовании зоны сбега с одной стороны ванчеса). Результаты опытной проверки дали увеличение выхода шпона на 1…1,5 % от объема сырья. Отклонение значения фактического увеличения выхода шпона от расчетного объясняется наличием у круглых лесо материалов пороков формы: кривизна и эллиптичность, – а также несоблюдением схемы раскроя и рядом других причин.

При определении дополнительного объема шпона, получаемого из сбеговой зоны, авторы [53] использовали приближенный метод его определения, который дает для условий производства достаточно точные данные. О сложности теорети ческого определения выхода строганого шпона отмечается и в работе [72].

При обработке экспериментальных данных по определению нормативов расхода сырья на выход строганого шпона в ЦНИИФе [130] для их корректировки использовали уравнение гиперболы, отражающее зависимость расхода сырья от диаметра кряжей:

a Yx a 0, (1.1) x где а0, а1 – параметры уравнения;

х – диаметр кряжей, см.

Параметры уравнения (1.1) определяются решением системы двух нормаль ных уравнений способом наименьших квадратов:

m 100a0 a1 x ym, (1.2) a0 m a1 m ym, x x x где m – удельный вес кряжей в общем объеме, %;

y – расход сырья на 1000 м2 товарного строганого шпона, м3.

Параметры х, m и y, входящие в уравнения (1.1) и (1.2), определяются по ре зультатам экспериментальных данных, сведенных в соответствующие таблицы, а а0 и а1 – из решения системы уравнений (1.2). При этом объемы перерабатывае мого сырья составляли примерно от 30 до 40 м3 на каждую породу. И в целом по нятно, что методика определения нормативов достаточно трудоемкая работа.

Принимая во внимание, что процессу строгания предшествует раскрой кря жа на заготовки, можно предположить, что увеличение объемного выхода строга ного шпона может быть достигнуто при условии применения схемы раскроя кря жа параллельно его образующей.

Таким образом, рассмотрение основных работ, направленных на изучение влияния качества древесного сырья на объемно-качественный выход продукции, дает основание констатировать, что объемный выход продукции существенно за висит от формы круглого лесоматериала.

Многочисленные исследования посвящены описанию формы древесных стволов, построению уравнений их образующих, характеризующих связь между диаметром ствола и расстоянием от комлевого торца до данного сечения, опреде лению объемов стволов [9, 63, 64, 95, 96, 112].

Согласно данным лесной таксации, для определения уравнения поверхности ствола можно исходить из того, что основная часть стволов близка к формам пра вильных геометрических тел и ствол представляет собой тело вращения [9]. Обра зующая древесного ствола может быть представлена как объединение кривых различного характера, с достаточной точностью описываемых уравнением в об щем виде:

y a kxb, где y – радиус поперечного сечения ствола;

x – расстояние от начала координат до плоскости сечения ствола;

k 0 – постоянный коэффициент;

a, b – показатели степени.

Наиболее распространен частный случай этого уравнения, когда показатель степени a равен двум. Значения и соотношение показателей степени характеризуют форму отдельных частей ствола. Нижняя часть приближается к нейлоиду и может быть описана уравнением образующей y 2 kx3, средняя часть – к цилиндру, обра зующая которого имеет вид y 2 k, или усеченному параболоиду y 2 kx, а вер шинная часть – к конусу или усеченному конусу y 2 kx2.

Поскольку форма древесного ствола зависит от многих факторов: породы де рева, условий произрастания, возраста и др., – в работе В.С. Петровского [95] пред лагается определять форму древесного ствола с помощью полинома:

y y0,5 a4 x 4 a3 x 3 a2 x 2 a1x a0, (1.3) где y0,5 – радиус ствола на середине его длины;

а0, а1, а2, а3, а4 – коэффициенты, имеющие значение для каждой породы.

В формуле (1.3) коэффициенты а0, а1, а2, а3, а4 определяются эмпирически на основе обследования модельных деревьев.

В целом, говоря о качестве древесного сырья, во многих случаях пользуют ся среднестатистическими характеристиками, полученными на основе осмотра перечета круглых лесоматериалов выборки достаточно большого объема (3000 – 5000 [114]). Они являются основанием для отнесения древесины к тому или ино му сорту. С учетом их, как правило, и планируется раскрой сырья соответствую щего сорта.

Определенные трудности здесь связаны с диагностированием внутренней сучковатости фанерного сырья. Как отмечает Полубояринов О. И. [101], о внут ренней сучковатости комлевых кряжей хвойных пород можно судить по ширине годичных слоев внутри его поперечного сечения. Кроме того, по ширине годич ных слоев можно также судить о плотности, прочности, декоративных свойствах древесины. На поперечном сечении также легко определяется цвет, ширина забо лони, расположение сердцевинной трубки.

Таким образом, используемые достаточно длительное время методы кон троля качества материалов и изделий из древесины являются трудоемкими и про должительными. Развитие новых методов и оборудования дефектоскопии позво ляет контролировать внутреннее строение, иметь более точные данные о размерах и форме, а также внутренних дефектах и пороках обследуемого объекта. Такая тенденция отмечается и в развитии деревообрабатывающей отрасли, что становит ся определяющим условием ее прогресса. Например, в Японии использование для контроля внутренней структуры распиливаемой древесины компьютерных томо графов позволяет получать пиломатериалы с выразительной красивой текстурой, которые очень ценятся в жилищном строительстве [64]. Автор отмечает, что ис пользование современных информационных технологий позволяет в лесопилении увеличить объемный выход пиломатериалов на 8 %, а ценностный на 20 %.

Ученые СПбГЛТУ им. С. М. Кирова [80] для идентификации древесины различных пород и определения их сортов использовали компьютерную томогра фию, с помощью которой не только оценивались внешние параметры круглых ле соматериалов, но и их внутреннее строение. Аналогичными вопросами занима лись в университете Лорейн и в Национальном исследовательском институте аг рономии в г. Нанси [80].

Об использовании рентгеносканирования для сортирования круглых лесо материалов и определения его параметров говорится в работе [68]. Автор отмеча ет также, что рентгеноскопия позволяет сортировать бревна по диаметрам без учета коры. На разработку автоматизированных методов определения размеров поперечных сечений круглых лесоматериалов, их формы и построению математи ческой модели поперечного сечения сортимента, восстанавливающей форму его сечения, направлены исследования, проведенные М. В. Захаровым [55].

Имеющийся обширный научный материал свидетельствует о важности ин формации о размерно-качественных характеристиках круглых лесоматериалов в процессе их переработки. Они характеризуют пригодность их для изготовления конечной продукции и, в частности, строганого шпона. И здесь большое значение имеет прогнозирование внутренней структуры и формы древесного сырья. Суще ствующие длительное время технологии определения качественных характери стик сырья носят частично субъективный характер, поскольку наряду с инстру ментальными методами их определения применяются визуальные способы кон троля качества. Отсутствие качественной информации не способствует точному выполнению различных технологических операций.

1.3 Обзор и анализ работ, посвященных производству и использованию строганого шпона Технологический процесс производства строганого шпона состоит из цело го ряда операций, которые в целом должны обеспечить производство качествен ного шпона и его достаточно высокую рентабельность. Безусловно, эти показате ли тесно связаны между собой и зависят во многом от объемного выхода шпона и его декоративных свойств, определяемых видом шпона.

Выход шпона зависит от многих факторов: породы древесины и ее качества, диаметра кряжей, схемы продольного раскроя, гидротермической обработки, режи мов резания, толщины отстругов и способов их переработки и др. При этом схемы раскроя различаются эффективностью использования сырья, выходом шпона по ко личеству и качеству. Они составляются, как правило, с учетом декоративной ценно сти или «желательности» текстуры древесины и того, что наиболее ценным являет ся радиальный и полурадиальный шпон. Особенно это актуально для такой породы как лиственница, так как тангентальный шпон из нее практически непригоден для облицовывания деталей мебели и других столярно-строительных изделий [79, 82].

Кроме того, радиальный шпон более технологичен при изготовлении лицевых по верхностей изделий из древесины с одинаковым рисунком. Вопросами увеличения количественного и качественного выхода строганого шпона, его отделкой занима лись многие исследователи [2, 12, 13, 26, 31, 32, 38, 53, 67, 69, 71, 72, 75, 76, 78, 83, 89, 90, 98, 99, 115, 117 – 121, 125, 126, 134, 138, 141]. Так в работе [98] отмечается, что использование полуванчесного способа раскроя кряжей позволяет обеспечить выход шпона: радиального – 59 % и полурадиального – 37 %. Это, конечно, меньше, чем при секторно-радиальном способе раскроя (соответственно – 70 % и 30 % [123]), но выше, чем при других способах. Упрощается раскрой сырья, увеличивает ся производительность шпонострогального станка.

Изучая влияние способа раскроя кряжей и диаметра на выход вида шпона В. К. Соловьева [121] отмечает, что максимальный выход радиального и полура диального шпона получается при ванчесном способе раскроя кряжей лиственни цы диаметром 35…50 см. При диаметре 52…60 см максимальный выход получа ется при использовании ванчесного раскроя с выпиливанием сердцевинной доски.

При диаметре 62 см и более используется способ троения с выпиливанием серд цевинной доски. Автор считает эти способы наиболее рациональными с точки зрения обеспечения максимального выхода строганого шпона.

З. А. Онищенко [90] к рациональным способам раскроя относит: четырех кантно-брусьевой, ванчесный четырехсторонний, троения и секторно-радиальный.

По мнению автора, эти способы обеспечивают максимальный количественный и качественный выход строганого шпона и наибольшую производительность шпоно строгальных станков. Кроме того, они позволяют повысить выход самого ценного радиального и полурадиального шпона с экономией сырья до 2 %. У сырья диамет ром до 30 см выход строганого шпона из четырехсторонних брусьев выше;

у сырья диаметром более 30 см, наоборот, больше выход у четырехсторонних ванчесов.

Для лиственницы, по данным СвердНИИПдрев [99], в зависимости от диаметра и сорта кряжей рациональными способами являются ванчесный, ванчесный с выпи ливанием сердцевинной доски и способ троения с выпиливанием сердцевинной доски. Выход строганого шпона из лиственницы для соответствующих групп диа метров 36…40, 42…50, 52…60, 62 см и более составил соответственно 31,3;

40,9;

37,4;

42,5 процентов.

В поисковых экспериментах, проведенных ДальНИИЛПом [2] по производ ству строганого шпона из лиственницы даурской диаметром 35…50 см, выход оказался равным 26,8 %. При этом использовался ванчесный способ продольного раскроя без выпиливания сердцевинной доски и анализ различных способов рас кроя на выход шпона не производился.

О технологии раскроя кряжей по сбегу в производстве строганого шпона го ворится в работе [26]. Авторы предлагают делать два первых реза параллельно оси кряжа и между собой, два следующих реза 3 и параллельно сбегу и перпендикулярно 1-му и 2-му пропилам. С помощью 5-го пропила тупокантный брус делится на два ванчеса. Каждый ванчес имеет две пласти параллельных между собой и две боко вые пласти, опиленные по сбегу (рис. 1.2). Строга ние ванчесов осуществляется по плоскостям 1 и 2.

Рисунок 1.2 – Схема раскроя В. Н. Хлебодаров [132] отмечает, что при кряжа по сбегу выпиловке ванчесов параллельно оси бревна меньше выход строганого шпона и, кроме того, перерезаются волокна древесины.

При этом на долю клиновидных горбылей, выпиливаемых из периферийной и наиболее качественной части кряжа, приходится до 25 % отходов. Автор предла гает сократить эти потери за счет раскроя кряжей параллельно образующей кряжа со всех четырех сторон. Выкраиваемый при этом ванчес имеет форму усеченной пирамиды. Условный графо-аналитический раскрой лиственницы диаметром 32…60 см, проведенный автором с моделированием на компьютере, показал, что строгание таких заготовок увеличивает выход строганого шпона в сравнении с ба зовым вариантом на 3…12 %.

Однако первая схема раскроя не позволяют обеспечить максимальный вы ход радиального и полурадиального шпона, вторая – не обеспечивает надежного базирования и, как следствие, высокого качества шпона.

Для возможного решения этого вопроса предлагается способ раскроя [92] кряжа по сбегу, обеспечивающий получение большего объема радиального и полу радиального шпона (рис. 1.3). Плоскости внутренних пропилов 5 и 6 параллельны соответственно плоскостям наружных пропилов 3 и 4. Строгание ванчесов осу ществляется по плоскостям 3 и 4, а бази рующими являются плоскости 5 и 6.

При наличии метиковой трещины она попадает в тело, ограниченное плос костями 5, 6 и плоскостью, проходящей Рисунок 1.3 – Схема раскроя кряжа через торцевую поверхность в комле по сбегу с выпиловкой обелиска кряжа (обелиск), или в отструг. (вид с комля) Продольным раскроем пиловочного сырья по сбегу занимались в САФУ им. М. В. Ломоносова [4, 5]. Автор отмечает, что при таком способе раскроя более рационально используется параболическая зона сортимента, предназначенного для выработки пиломатериалов, и обеспечи вается больший их выход, чем при осевой ориентации круглых лесоматериалов и последующей их распиловке. Такая же тенденция отмечается и в работе В. Н. Во лынского [35]. Приведенные им данные показывают, что раскрой необрезных до сок по сбегу и применение технологий склеивания увеличивает степень использо вания древесины на 10 – 15 %, а если раскрой вести еще и по уклону кромки, этот показатель может быть повышен еще на 3 – 5 %.

Анализ приведенных работ показывает, что при исследовании продольного раскроя сырья для производства строганого шпона и его эффективности авторы, как правило, использовали крупномерное сырье (диаметром более 40 см). Поэто му при уменьшении среднего диаметра сырья необходимы новые эффективные технологии строгания шпона.

Требования ГОСТ 9463-88 к толщине сырья составлены с учетом общепри нятых способов раскроя кряжей на заготовки и способа строгания заготовок на шпон, при котором резание древесины осуществляется в поперечном направле нии. Поэтому актуален вопрос разработки новых технологий, позволяющих орга низовать рентабельное производство лиственничного строганого шпона из сырья меньшего диаметра, причем с преобладающим количеством радиального и полу радиального вида. В связи с необходимостью рассмотрения возможности эффек тивного производства строганого шпона из хвойного сырья диаметра меньшего 32 см следует вернуться к кряжевому способу разделки фанерного сырья, обеспе чивающего достаточно высокий выход 44…51 % [123] для сырья диаметром 26…40 см. Недостатки этого способа известны – это незначительное количество радиального и полурадиального шпона [98], а также трудности фиксации брусьев на столе шпонострогального станка (при строгании нескольких брусьев). При ис пользовании станков, где резание осуществляется в продольном направлении и по одной заготовке, последний недостаток устраняется. Однако вопрос уменьшения выхода тангентального шпона из лиственницы при таком способе строгания оста ется открытым.

Качество шпона, по мнению различных ученых, зависит от различных фак торов: способа прогрева древесины и температуры ее нагрева, плотности и твер дости древесины, угла между направлением строгания и направлением волокон древесины, направлением строгания – от вершинной части к комлевой или наобо рот, направлением строгания относительно волокон древесины – поперечным или продольным. По мнению большинства исследователей, качество строганого шпо на, в основном, определяется прочностью шпона при растяжении поперек воло кон, разнотолщинностью и шероховатостью.

Поиск оптимальных режимов тепловой обработки древесного сырья нашел отражение в работах Н.В. Качалина, Э.И. Лобжанидзе, А.П. Комиссарова, П.П.

Анисова [7, 66, 69, 75, 76] и других. Обобщая результаты предыдущих исследова телей, А.П. Комиссаров [69] экспериментально и теоретически установил, что оп тимальная температура нагрева лиственничной древесины равна 405 С. При этом в качестве основных критериев для оценки качества шпона принимались та кие его показатели как шероховатость и разнотолщинность. Автор [69] показал, что рекомендуемая В. К. Соловьевой [121] максимальная температура нагрева древесины лиственницы 68 С слишком высока.

Режимы строгания древесины на шпон рассматривались в работах В.И.

Любченко, П.В. Василевской, В.Н. Плахова, И.И. Михеева, А.С. Симонова [32, 71, 77, 79, 83, 98, 99, 120] и других. В.И. Любченко исследовал влияние взаимного расположения ножа и прижимной линейки на шероховатость шпона и рекоменду ет оптимальный угол для установки прижимной линейки относительно ножа при нимать равным 42 градусам. В.Н. Плахов дает параметры оптимальной геометрии прижимной линейки, ее положения относительно ножа и поверхности резания.

И.И. Михеев исследовал влияние степени обжима древесины на относительную глубину трещин в шпоне. Установлено, что с уменьшением глубины внутренних трещин прочность шпона на растяжение перпендикулярно волокнам растет. А.С.

Симонов показал влияние степени обжима и скорости резания на шероховатость поверхности шпона и его прочность на растяжение перпендикулярно волокнам.

Автор считает, что обжим, равный 15…20 %, является оптимальным для листвен ничного шпона. Исследования показали, что минимальную шероховатость имеет радиальный шпон. Полурадиальный шпон имеет шероховатость больше примерно в 1,5 раза, а тангентальный – в 1,9 раза.

Продольным резанием древесины занимались А.Л. Бершадский, С.А. Вос кресенский, Р.Х. Гайнуллин, А.Э. Грубе, Е.Г. Ивановский, В.И. Санев, Н.И. Цвет кова, А.Н. Чемоданов [27, 37, 38, 49, 56, 135] и другие. Анализ исследований пока зал, что получаемый таким образом шпон превосходит по качеству шпон, получа емый при поперечном строгании. Сам процесс продольного строгания требует также меньших энергозатрат. Шпон имеет меньшие внутренние трещины и мень шую шероховатость [154]. Поэтому продольное строгание является перспектив ным способом повышения эффективности производства строганого шпона.

Одним из путей повышения эффективности использования древесины и вы хода продукции в производстве строганого шпона является снижение ее материа лоемкости (например, строгание шпона уменьшенных толщин [13, 26, 53, 90, 98, 117, 134]). В работе [148] отмечается, что чем тоньше шпон, тем меньше его шеро ховатость. В производстве тонкого строганого шпона существенное влияние на его качество оказывает глубина трещин [90]. Она не только определяет прочность шпона, но и влияет на просачиваемость шпона клеем. С этих позиций для произ водства тонкого шпона целесообразно использовать продольный способ строгания.

Известно, что по ГОСТ 2977-82 [45] строганый шпон в зависимости от тек стуры древесины подразделяется на следующие виды: радиальный, полурадиаль ный, тангентальный и тангентально-торцовый. В ГОСТ 2977-82 дается характери стика радиального и полурадиального шпона. Причем если у радиального шпона все годичные слои имеют вид прямых параллельных линий по всему листу, то к полурадиальному относят такой, у которого годичные слои образуют прямые па раллельные линии на площади не менее площади листа. В.Н. Плахов [98] отра зил это условие в виде отрезков ВВ2 = Вр и ВВ1 = Вр (рис. 1.4). Высоты зон выхода радиального, полурадиального и тангентального шпона (Hр, Hпр и Hт), обозначенных на рисунке 1.4, определяются по следующим формулам:

при ванчесном и кряжевом способах раскроя H р 0,144R H 0 ;

H пр 0,306R;

H т 0,550R H 3 ;

(1.4) при полуванчесном способе раскроя H р 0,144R H 2 ;

H пр 0,306R;

H т 0,550R H 0 H 3. (1.5) Такой метод прогнозирования вида шпона позволяет говорить о возможном количестве (доле) радиального, полурадиального или тангентального шпона. В работе не указывается для какого диапазона диаметров справедливы эти форму лы. Анализ формулы (1.4) для определения зоны, из которой получается радиаль ный шпон, показывает, что она справедлива только для диаметров более 40 см.

При толщине отструга 3 см (автор [98] ссылается на паспортные данные шпоно строгального станка) не трудно рассчитать, что радиальный шпон будет выходить только при радиусе R не менее 20,83 см, поскольку в этом случае высота радиаль ной зоны Hр неотрицательна.

Впр Вр Вр Н Н Нт D/ d/ С2 С С Н Нпр a a Нр-пр a В В В Нр Вр О Вр Н Вр Рисунок 1.4 – Схема зон кряжа по видам среза шпона Кроме того, вопросы подбора «желаемого» рисунка (текстуры) и справед ливость этих формул при раскрое по сбегу остаются не решенными.

Получение того или иного вида шпона, в основном, обеспечивается спосо бом раскроя кряжей на заготовки для строгания.

Н.А. Трубников выделяет пять факторов, определяющих декоративную ценность текстуры природной древесины [126, 127]:

наличие зримо отличающихся размерами анатомических элементов (сосудов);

наличие контраста между годичными слоями;

наличие сердцевинных лучей, отличающихся окраской;

наличие отклонений в строении древесины (свилеватость волокон, волни стость годичных слоев и др.);

наличие разноцветных прожилок.

Автор изучал возможность улучшения уровня декоративности текстуры древесины ольхи за счет селективного окрашивания и прессования древесины и получил положительные результаты. Кроме текстуры, декоративность и привле кательность древесины несомненно зависит от ее цвета и блеска.

Таким образом, уровень декоративной ценности строганого шпона зависит преимущественно от уровня контрастности между группами однородных анатоми ческих элементов в отношении их окраски [113]. Он во многом определяется углом перерезания древесных волокон и отражением света от перерезанных анатомиче ских элементов, а также наличием различных отклонений в строении древесины.

Выразительность текстуры также зависит от ширины и формы годичных слоев.

В ряде случаев на выбор определенного вида шпона влияет «желатель ность» того или иного рисунка и технологичность его получения для изготовле ния комплектов мебели с одинаковым рисунком лицевых поверхностей [32]. Ра диальный и полурадиальный виды шпона в этом случае, видимо, являются наибо лее подходящими. Автор [32] также отмечает, что необходимо учитывать ширину годичных слоев древесины, которая влияет на декоративные свойства шпона. Так, для тропических пород широкие годичные слои нередко делают тангентальный шпон более предпочтительным.

Однако ширина годичных слоев у лиственницы небольшая и на поверхно сти шпона будет зависеть от их ширины в радиальной плоскости резания и от рас стояния от центра кряжа до плоскости строгания. Поэтому, с точки зрения полу чения шпона с «желательным» рисунком, при раскрое сырья на заготовки для строгания представляет определенный интерес учет закономерностей изменения ширины годичных слоев по радиусу круглых лесоматериалов и места их вырезки из ствола.

Для получения строганого шпона с преобладанием определенной текстуры могут применяться различные схемы продольного раскроя фанерных кряжей. При этом получаются заготовки, имеющие различные размеры и формы. Эти способы достаточно подробно описаны в работах различных авторов [67, 71, 72, 98, 99, 120, 123 и др.].

В работах СвердНИИПДрева предлагается крашение лиственничного стро ганого шпона для получения мебели различных цветовых сочетаний [28]. Резуль таты многих исследований, выполненных Всесоюзным проектно конструкторским и технологическим институтом мебели (ВПКТИМ) по исполь зованию строганого шпона из лиственницы в производстве мебели, обобщены в соответствующих рекомендациях по его применению [111].

В обзоре С.Э. Отто [91] рассмотрены более 50 японских патентов по техно логии производства декоративного строганого шпона, направленной на повыше ние его декоративно-художественных свойств и их предсказуемости.

Этому требованию вполне удовлетворяет технология «Файн-лайн». О важ ности прогнозирования рисунка и необходимости использования методов матема тического моделирования для получения «желаемого» рисунка на поверхности декоративного облицовочного материала отмечается в работе [57]. Авторы [12, 57] занимались прогнозированием необходимого рисунка шпона, полученного из клееного блока. Клееный блок изготавливали из лущеного шпона, окрашенного в различные цвета. Для построения требуемого окрашенного контура в клееном блоке и соответственно шпона с «желательным» рисунком использовали метод математического моделирования. При этом рассматривались методы: пробных точек, интервального анализа, сопоставления с эталоном, генетических алгорит мов. Изготовление такого клееного блока связано с большой сложностью прогно зирования и получения «желаемого» рисунка из реального сырья. Одной из самых сложных задач при работе с натуральным шпоном считается сохранение общего рисунка древесины на всех поверхностях деталей изделия. Израильская фирма MTD Software [40] предложила программу, позволяющую подбирать раскрой шпона, создающий впечатление идеальной гармонии рисунка даже при много компонентных фасадах.

Поэтому для прогнозирования «желаемого» рисунка (текстуры) строганого шпона из каждого круглого лесоматериала, поступающего на операцию продоль ного раскроя, необходимо разработать специальный технологический процесс. Та кая технология позволит прогнозировать получение «желаемого» рисунка, то есть уровень декоративности текстуры древесины шпона в режиме реального времени и, кроме того, управлять формированием целостного декоративного образа буду щего вида строганого шпона и целенаправленно осуществлять дизайнерские разра ботки различных видов мебели. Однако для работы по такой технологии в режиме реального времени требуется создание модели внутренней макроструктуры каждо го круглого лесоматериала, программного комплекса, позволяющего осуществлять виртуальный раскрой сырья и воспроизводить текстуру, образуемую при этом в плоскости резания, а также объективную методику численной оценки вида шпона.

Для создания модели внутренней макроструктуры круглого лесоматериала (кряжа) могут применяться различные методы. В работе [68] отмечается, что при рентгеносканировании круглых лесоматериалов на изображении также фиксиру ются граница между заболонью и ядром, сучки или их группы, годичные кольца, внутренние трещины и другие внутренние пороки. Система обеспечивает обра ботку информации в долях секунды. Для лиственницы характерно наличие силь ного контраста между годичными слоями, что во многом и определяет декоратив ную ценность ее текстуры.

Современные системы оптического распознавания объектов способны ска зать о макроструктуре достаточно много [41, 150, 153]. Системы на основе пред метной области компьютерного зрения приобретают все большее распростране ние и могут быть использованы не только для получения информации о макро структуре изучаемых объектов, но и для изучения их геометрических параметров.

Такие системы способны распознать годичные слои на торцах кряжей. В работах [34, 144 – 146, 155] системы оптического распознавания использовались для изу чения годичного прироста деревьев.

В целом можно отметить практическое отсутствие информации о модели ровании реконструктивного отображения внутренней макроструктуры круглых лесоматериалов, предназначенных для строгания, и использовании ее для вирту ального раскроя и формирования «желаемого» рисунка (текстуры) древесины.

Некоторые подходы для построения такой модели можно найти в работах [62, 85, 147]. Авторы отмечают, что в морфологии растений все большее значение приобретает концепция их модульной конструкции, базирующейся на постоянстве системы. И это постоянство в соотношении модулей конструкции в ходе роста и развития растения подчиняется определенным закономерностям, тем самым га рантируя его структурно-функциональную целостность. С.П. Исаев [62] отмечает, например, такую закономерность для распределения ветвей по стволу дерева. В работах [9, 129] говорится о наличии зависимости ширины годичного слоя от рас стояния его от центра кряжа, а также об изменении его по высоте ствола. Измене ние ширины годичного слоя по высоте ствола определенным образом влияет на форму ствола. С увеличением ширины годичного слоя форма ствола приближается к цилиндрической [8, 9]. Рисунок, образуемый годичными слоями при строгании кряжей, во многом определяет ценность текстуры шпона. Поэтому можно предпо ложить, что для построения модели внутренней макроструктуры древесины необ ходимо учитывать морфометрические характеристики ее стволовой части.

Второй признак, помогающий определить вид шпона [45], – это сердцевин ные лучи. У радиального шпона сердцевинные лучи имеют вид полос, расположен ных не менее чем на площади листа, у полурадиального – имеют вид наклонных или продольных полос, расположенных не менее чем на площади листа. Такая характеристика вида шпона также не позволяет прогнозировать его качественный выход с точки зрения «желательности» того или иного рисунка. В то же время из вестно, что расположение сердцевинных лучей, влияющих на декоративные свой ства древесины, в объеме древесины подчиняется определенным закономерностям [29]. Сердцевинные лучи у большинства древесных пород располагаются по спира ли вокруг оси ствола дерева, то есть соблюдается закон спирали роста [62].

Определение закономерностей в распространении, например, годичных слоев (а в дальнейшем и других анатомических элементов) в объеме круглого ле соматериала позволяет моделировать его внутреннюю макроструктуру и прогно зировать получение возможной текстуры шпона.

Определенное влияние на выход шпона и производство шпона уменьшенных толщин оказывает его прочность. На прочность шпона при растяжении поперек во локон влияют образующиеся при резании внутренние трещины, а при растяжении вдоль волокон – угол перерезания волокон, который зависит от схемы продольного раскроя кряжа на заготовки [79]. При раскрое по сбегу этот угол будет минималь ным. Прочность шпона безусловно зависит и от доли поздней древесины в слое, ко личество которой также будет определяться схемой продольного раскроя (это осо бенно важно для лиственницы, обладающей большой разницей в прочности ранней и поздней древесины). Получение строганого шпона с равномерным распределени ем структуры годичных слоев позволит избежать повышенного его коробления в процессе сушки и тем самым обеспечить высокое качество облицовывания мебели.

Для этого необходимо исследовать морфометрические характеристики лиственни цы, в частности, распределение по радиусу ствола годичных слоев по ширине.

По результатам аналитического обзора определены основные области ис следований повышения эффективности процесса формирования строганого шпо на (рис. 1.5), а также сформулированы задачи исследования.

Рисунок 1.5 – Основные области исследований повышения эффективности процесса формирования строганого шпона 1.4 Выводы. Задачи исследования Проведенный обзор работ, посвященных влиянию размерно-качественных характеристик древесного сырья на объемно-качественные показатели произво димой из него продукции, позволяет сделать следующие выводы:

1. Вопрос оценки и прогнозирования размерно-качественных показателей древесного сырья является основополагающим при его переработке в продукцию с заданными целевыми характеристиками свойств и назначения.

2. Продольный раскрой круглого лесоматериала представляет собой слож ный многофакторный процесс, в котором выбор схемы и способа раскроя являют ся основополагающими и оказывают существенное влияние на объемно качественный выход конечной продукции.

3. Большинство исследований проводилось без учета морфометрического строения древесины, а объемно-качественные показатели строганого шпона оце нивались на основе эмпирических данных.

4. Имеющиеся исследования в области производства строганого шпона главным образом посвящены вопросам его изготовления из древесины твердо лиственных пород. При этом следует отметить, что оценка качества производимо го строганого шпона осуществлялась применительно к классической схеме попе речного резания на шпонострогальных станках.

5. Одним из обязательных показателей качества строганого шпона является вид текстуры его поверхности. Существующие нормативные документы регла ментируют определение вида шпона на основе визуальной оценки и сравнения с эталоном.

6. Совершенствование способов и оборудования производства строганого шпона (шпонострогальные станки с продольным резанием) способствует улучше нию качества производимой продукции, однако наличие экспериментальных дан ных, подтверждающих их эффективность, следует признать недостаточным.

Для достижения поставленной в работе цели определены следующие задачи исследования:

1) установить влияние способов раскроя кряжа и строгания шпона на его объемно-качественные параметры;

2) исследовать влияние морфометрических характеристик лиственницы на качественные показатели строганого шпона;

3) исследовать влияние вида резания на шероховатость строганной поверх ности;

4) разработать информационно-математическую модель прогнозирования объемного выхода и вида (текстуры) строганого шпона;

5) изучить влияние факторов, характеризующих сырье, процессы его рас кроя, строгания и прирезки шпона, на объемно-качественный выход строганого шпона;

6) разработать предложения по совершенствованию операций продольного раскроя круглых лесоматериалов и строгания шпона;

7) рассчитать экономическую эффективность внедрения технологических разработок.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ СТРОГАНОГО ШПОНА НА ЕГО ОБЪЕМНО-КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 2.1 Аналитическое решение и методика расчета выхода строганого шпона из кряжа Выход той или иной продукции из различного древесного сырья является одним из основных критериев пригодности соответствующей породы древесины.

Выход шпона зависит от многих факторов: породы, диаметра кряжей, тол щины отстругов и способов их переработки, схемы продольного раскроя и других причин, связанных с особенностями технологического процесса.

При определении выхода строганого шпона, как правило, используются нор мативы расхода сырья, получаемые экспериментальным путем, отличающимся вы сокой трудоемкостью, и дающие усредненные данные. В связи с этим предлагается рассмотреть способ расчета выхода строганого (сырого) шпона, основанный на ис пользовании теории кратных интегралов и математического пакета «Mathcad 14».

Для этого принимаются следующие допущения:

1) форма кряжа – усеченный круговой конус;

2) припуск на усушку и прирубку шпона по ширине постоянен и равен 15 мм;

3) за основу принимается кряжевой способ разделки фанерного сырья;

4) минимальная ширина шпона – ширина шпона в вершинном торце;

5) отходы на опилки, образующиеся при продольном раскрое, и на срезки, об разующиеся при выравнивании заготовок, учитываются в объеме соответствую щих горбылей.

Выход шпона из кряжей предлагается определять по следующим вариантам:

раскрой кряжей на заготовки при распиловке параллельно его оси и параллельно его образующей;

с использованием сбеговой зоны и нет (минимальные размеры шпона соответствуют требованиям ГОСТ 2977-82).

Методика расчета и аналитическое решение выхода строганого шпона из кряжа базируется на вычитании объемов отдельных частей, которые образуются при раскрое и идут в отходы, из объема всего кряжа [59].

Схемы для определения объемов различных фигур и способы раскроя кряжа представлены на рисунках 2.1 и 2.2.

Z Z К Адк е Бдк П n tmi n tmi dв Н Б L n tmi Бук lmin Аук X dк х К х Y х1 е Y Рисунок 2.1 – Схемы для определения объемов различных фигур при раскрое кряжа Для определения объема необходимо усеченный конус Аук на рисунке 2.1 до строить до полного конуса (Аук + Адк) и для вычисления объема использовать трой ные интегралы и уравнение конуса второго порядка.

Уравнение конуса в декартовой системе координат имеет вид [30]:

x2 y2 z, (2.1) a2 b2 H Z Z П П М П dв dв П Г Е3 Е n Ф tmi L N Q n tmi Q in dm Q4 Ф Гук Q Е1 Р Ф Л e Ж lmin С М5 М N5 N1 X dк С N4 М М2 N N2 N Еук Ж С Р x Y Р х2 x х Y Рисунок 2.2 – Схемы раскроя кряжей для расчета выхода шпона где Z a 0, b 0 – полуоси эллипса, полученного b сечением плоскости, перпендикулярной оси Z;

a H 0 – высота конуса (рис. 2.3).

H Расчеты удобнее проводить для конуса, рас X положенного ниже плоскости z = 0 (рис. 2.3). По- Y этому с помощью параллельного переноса необ ходимо переместить конус на Н единиц вверх по оси Z. Тогда уравнение конуса примет вид: Рисунок 2.3 – Конус ( z H ) 4x2 4y (2.2), 2 H dк dк где dк – диаметр основания конуса (А + А1), который соответствует диаметру кряжа в комле.

Или x 4H y 2 (z H )2.

(2.3) dк Усеченный конус Аук, описывающий кряж длиной L, получается с помощью перпендикулярного оси Z сечения плоскостью z = -H + L. Выше этого сечения расположен конус Адк («достраиваемый» конус) высотой (H – L) с диаметром ос нования dв, который задается уравнением:

x 4( H L) y 2 ( z H L) 2.

(2.4) dв Соотношение высоты H достраиваемого полного конуса (Аук + Адк) и высо ты L усеченного конуса Аук определяется как:

dк H L, (2.5) dк dв где dв – диаметр верхнего основания усеченного конуса Аук, который соответ ствует вершинному диаметру кряжа.

Объем Vук усеченного конуса Аук высотой L с диаметрами верхнего и ниж него оснований соответственно dк и dв (рис. 2.1) можно найти как разность объема Vпк конуса (Аук + Адк), описанного уравнением (2.3), и объема Vдк конуса Адк, опи санного уравнением (2.4):

Vук Vпк Vдк. (2.6) Но для нахождения объема кряжа как объема усеченного конуса удобнее пользоваться известной формулой:

d L Vук dв dк dк.

2 (2.7) в Формулу (2.6) предлагается использовать для нахождения объема горбыля Бук, полученного с помощью сечения плоскостью П1, проходящей параллельно оси кряжа (рис. 2.1). При этом объем Vпк будет соответствовать объему VБ у к Б дк находящейся правее плоскости П1 части полного конуса (Бук + Бдк), описываемого уравнением (2.3), а объем Vдк – объему VБ дк находящейся правее плоскости П части «достраиваемого» конуса Бдк, описываемого уравнением (2.4). Сами же объемы Vпк и Vдк можно определить через тройные интегралы:

Vдк VБ дк dx dy dz.

dx dy dz, Vпк VБ у к Б дк (2.8) Б у к Б дк Б дк Для вычисления этих интегралов необходимо расставить пределы интегри рования. Часть полного конуса (Бук + Бдк) ограничена снизу сегментом круга диа метром dк (рис. 2.1). Данный сегмент высотой e2 (рис. 2.1) ограничен по оси Х dк двумя прямыми: x x1 и x, а по оси Y – частью окружности:

dк x y 2, (2.9) dк 4x то есть пределы интегрирования по переменной y изменяются от y dк 4x до y.

По оси Z часть полного конуса (Бук + Бдк) ограничена снизу плоскостью z = 0, а сверху – поверхностью полного конуса (2.3), расположенного ниже плос кости z = H. Поэтому пределы интегрирования по переменной z изменяются от 2H z = 0 до z H x 2 y 2. При этом учитывается, что в уравнении (2.3) извле dк ( z H ) 2 будет с отрицательным знаком, так как рассматривает каемый корень ся конус, расположенный ниже плоскости z = H.

Величина x1 определяется как:

d в d в d в t min d в t min 2 2 2 dв x1 е1. (2.10) 2 2 2 где е1 – высота сегмента круга диаметром dв (рис. 2.1);

tmin – длина хорды, отсекающей сегмент высотой е1, соответствующая ми нимальной ширине шпона.

Таким образом, объем VБ у к Б дк вычисляется по формуле:

dк 4x 2 2H dк H x2 y dк 2 dx dy dz dz dy dx.

VБ у к Б дк (2.11) Б у к Б дк x1 dк 4x Аналогично определяются пределы интегрирования по области Бдк для вы числения объема VБ дк. Часть Бдк «достраиваемого» конуса Адк (рис. 2.1) ограниче dв на по оси Х двумя прямыми: x x1 и x ;

по оси Y – частью окружности:

dв x y 2. (2.12) Если сдвинуть «достраиваемый» конус А1 по оси Z на L единиц вниз, то часть Б будет ограничена по оси Z снизу плоскостью z = 0, а сверху – поверхностью данно го «достраиваемого» конуса (2.4). Следовательно, объем VБ дк рассчитывается как:

2( H L ) dв 4x dв H L x y dв 2 VБ дк dx dy dz dz dy dx. (2.13) Б дк x1 dв 4x В результате с учетом формул (2.6) и (2.8) объем VБ у к горбыля Бук, получен ного с помощью сечения плоскостью П1, проходящей параллельно оси кряжа (рис. 2.1), определяется как:

VБ у к VБ у к Б дк VБ дк, (2.14) где VБ у к Б дк и VБ дк определяются соответственно по формулам (2.11) и (2.13).

Если при раскрое используется сбеговая зона кряжа, то необходимо вычис лить дополнительный выход шпона с той части конуса, которая ограничена слева и справа плоскостями П1 и П2, а снизу и сверху плоскостями z = 0 и z = lmin (рис. 2. и рис. 2.2). Эта часть конуса на рисунке 2.1 обозначена К. На рисунке 2.2 плос кость П2 проходит параллельно оси Z на расстоянии x2 от начала координат. Ве личина x2 определяется исходя из требований ГОСТ 2977-82, согласно которому допускается минимальная длина lmin и минимальная ширина tmin шпона. Окруж ность диаметром dmin образуется при сечении плоскостью z = lmin, перпендикуляр ной продольной оси конуса. Диаметр dmin определяется как:

d к ( H lmin ) d min. (2.15) H Минимальная ширина шпона tmin определяет длину хорды, отсекающей сег мент высотой е d min d min t min 2 е3 (2.16) круга диаметром dmin (рис. 2.2). Тогда величина x2 вычисляется как:

d min d min d min t min d min t min 2 2 2 d min x2 е3. (2.17) 2 2 2 Объем VК части конуса К определяется по формуле:



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.