Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОСЛІДЖЕННЯ ВАД ДЕРЕВИНИ СОСНИ, ЇХ ВПЛИВУ НА ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КРУГЛИХ ЛІСОМАТЕРІАЛІВ

Методика досліджень розташування сучків у стовбурі сосни

лісоматеріал сушіння механічний сучки

Сучки є найпоширенішою вадою деревини, яка притаманна для всіх порід деревини. Кількість їх у стовбурі, розташування, розміри та стан залежать від породи, умов зростання, віку, повноти насадження та інших факторів. Сучки є основою гілок, вони розташовуються через певні проміжки порушують цілісність будови деревини стовбура за висотою та у поперечному напрямку. Тільки невеликі ділянки стовбура є вільними від сучків.

Будову стовбура різних порід та розташування сучків у різні часи вивчали Б. В. Абутков [38], Л. Н. Киреев та В. І. Горшков [91] , В. В. Кислий [92,93], О. И. Полубояринов [39], Е. А. Павлов [94], В. П. Левченко [50], Л. С. Арлаускас, А. П. Тябера [47] тощо.

Для дослідження закономірностей розташування сучків сосни (Pinus sylvestris L.) в стовбурах використані дерева віком 45-110 років, що виросли в суборах Київської, Рівненської та Житомирської областях. Вік рубки стиглої деревини сосни для високоякісної продукції становить 80 років. Обраний діапазон дерев за віком пов'язаний з охопленням всього сортового ряду.

Всього було досліджено: у Рівненській області - 71 стовбур, у Житомирській - 62 стовбура, у Київській - 54 стовбура. Постійними факторами під час проведення дослідження прийняті: порода деревини та вік. Змінними факторами прийняті: діаметр стовбура, діаметр сучків, зони стовбура, відстань між мутовками, кількість сучків на 1 пог. м. Методична сітка експериментальних досліджень наведена у табл. 2.1.

Прилади та матеріали:

штангенциркуль (ГОСТ 166-89) [95];

рулетка (ГОСТ 7502-98) [96];

мірна вилка;

персональний комп'ютер для оброблення та оформлення результатів досліджень.

У сосни сучки розташовуються через деякі проміжки у одному перерізі стовбура та утворюють мутовки, що включають від 2 до 7 сучків, розмір яких у різних частинах стовбура має значні коливання. Знизу стовбура знаходяться сучки невеликого діаметру з незначним коливанням розмірів, а вище - ця особливість порушується. В зоні живої крони зустрічаються мутовки, в яких сучки за розмірами відрізняються у декілька разів. Залежно від положення мутовки у стовбурі вона складається зі зрослих та частково зрослих з деревиною сучків або тих чи інших.

Таблиця 1.1. Методична сітка експериментальних досліджень розташування сучків в стовбурах сосни

У зв'язку з особливістю розташування сучків стовбури були поділені на три зони: нижня із зарослими сучками, яка складає 30 % від довжини стовбура; середня зона - ділянка мертвої крони (від 30 до 70 % стовбура) та ділянка живої крони - верхня зона [50], тому в табл. 2.1 прийнято відповідний поділ зон стовбура.

Дослідження зарослих у деревину сучків проводилося за методикою [52], яка полягала у відборі колод та дослідному розпилюванні їх на нижніх складах лісгоспів (рис. 2.1). Для кращого вивчення та виміру сучків стовбури були розпиляні на десять рівних частин [50] без вершин з діаметром 810 см.

На пиломатеріалах після розпилювання розміри сучків вимірювалися по дотичних до контуру сучка. На інших частинах стовбура, де сучки виходять на бокову поверхню, вимірювали також по дотичних, які паралельні вісі стовбура (рис. 2.1, б). Вимірювання розмірів сучків проводилися за допомогою штангенциркуля.

Рис. 1.1. Зразки деревини для дослідження сучковатості на нижньому складі Рівненської області: а) для дослідження зарослих сучків; б) для дослідження сучків, що вийшли на бічну поверхню

Важливою умовою для отримання точних даних є спосіб підрахунку сучків. Згідно методики [97] існує два способи підрахунку сучків: врахування найбільшого сучка у мутовці dm або суми відносних розмірів всіх сучків у мутовці -- . Вимірювання діаметрів стовбура проведено на висоті 1,3 м за допомогою мірної вилки з ціною поділки 2 см [98]. Для вимірювання відстані між мутовками застосовано рулетку.

Методика дослідження фізико-механічних властивостей сучків. Визначення ширини річних шарів та відсотка пізньої деревини сучків та стовбурів

Зважаючи на наявність сучків у матеріалах для використання у круглому вигляді, у великих пиляних матеріалах та їх вплив на міцність деревних виробів, були проведені дослідження ширини сучків та стовбура, відсотка пізньої деревини стовбура та сучків, щільності, коефіцієнту всихання та міцності за стиску вздовж волокон деревини сучків.

Формування деревини сучків, які є основою гілок, відбувається у специфічних умовах. Гілка являє собою консольну балку, яка закріплена одним кінцем з розтягнутою верхньою та стиснутою нижньою зонами. Максимальне напруження під час росту від постійно діючого навантаження виникає у основи гілки, тобто у місці переходу її у сучок. При цьому довготривала механічна дія спричиняє утворення аномальної кренєвої деревини.

Вивчення кренєвої деревини стовбура було розпочато ще у позаминулому столітті A. Cieslar [99], R. Hartig [100]. У цих роботах досліджували будову деревини та були визначені фізичні та механічні властивості аномальної деревини. В подальшому вивченням цього питання займалися P. Sontag [101], O. E. Rote [102], H. E. Dadswell and A. B. Wardrop [103], W. Klaudiz та Stolleyj [104], L. C. Lassen [105], H. A. Gore та W. A. Gote [106], E. Perem [107], A. C. Berefood [108], A. B. Wardrop [109] тощо.

Будову деревини розтягнутої та стиснутої зон сучків сосни, на прикладі Київської області, вивчав В. П. Левченко [110]. Здорові, зрослі та частково зрослі з деревиною сучки, а також сучки, які заросли на невелику глибину від бічної поверхні, викликають порушення однорідності будови деревини. Навколо зрослого з деревиною сучка, утворюється присучковий наплив з відхиленням волокон від поздовжнього напрямку, а при заростанні незрослого сучка виникає складний завиток зі сторони його торцевої поверхні з відхиленням волокон у радіальній площині. Л. М. Перелигин [23] відмічав можливість більшого впливу на механічні властивості не самого сучка, а місцевого викривлення волокон біля нього.

Для виявлення закономірностей у формуванні сучків слід визначити ширину річних шарів та відсоток пізньої деревини, які в основному і визначають механічні властивості деревини.

Прилади та матеріали:

зразки деревини сучків розміром 20x20 мм та 10 мм уздовж волокон; вимірювальна лупа (ГОСТ 25706-83) [111]; лінійка вимірювальна (ГОСТ 427-75) [112]; мікрометр МК (ГОСТ 6507-90) [113];

персональний комп'ютер для оброблення та оформлення результатів досліджень.

Для випробування вибрані зразки деревини із здоровими зрослими сучками з однакових умов зростання В2, та однаковою повнотою 0,6, але різних областей, а саме: з Київської, Житомирської та Рівненської областей. Дані про умови зростання та повноту були взяті з таксаційного опису. За дослідженнями [114, 115] у робочій частині досліджуваних зразків, для забезпечення визначення фізико-механічних характеристик, притаманних деревині стовбура, повинно бути не менше 4-5 річних шарів. Була прийнята кількість річних шарів не менше 5. Зважаючи на те, що найменший досліджуваний вік дерев становив 45 років, тому зразки деревини стовбура містили по 30 і більше річних шарів, що дозволило поділити їх на п'ятирічні періоди в напрямку від серцевини до периферії.

Ширина кожного річного шару та пізньої зони деревини сучків визначалася окремо у розтягнутій та стиснутій зонах. Дослідження проводилися за ГОСТ 16483.18-72 [116], проте на зразках інших розмірів: у поперечному перерізі 20x20 мм та 10 мм уздовж волокон за методикою В. П. Левченко [12]. Це пов'язано з важкістю дотримання паралельності волокон у зразках стандартних розмірів з сучків.

Згідно прийнятої методики [117] річні шари вимірювали вимірювальною лупою з точністю не більше 0,1 мм. На площині поперечного перерізу за радіальним напрямком відмічалися границі цілих річних шарів на ділянці, рівною приблизно 20 мм, де підраховували число шарів. Відстань між відмітками вимірювали з точністю не більш 0,5 мм. Крім того, для порівняння механічних властивостей деревини сучків та деревини стовбура, були вивчені річні шари стовбура вище та нижче сучка на 100 мм. Коефіцієнт варіації кількості річних шарів становить V=37 %, тому для отримання точності P=5 % було досліджено 365 зразків. Схема відбирання зразків наведена на рис. 2.2, а.

Для спрощення підрахунків, сучки розглядали за 5 річними періодами річних шарів. Підрахунок проводили починаючи зі серцевини сучка. У 1-му періоді сучки з 1-го по 5-тий річний шар, у другому періоді з 6-го по 10-й, у 3-му з 11 по 15-й, у 4-му з 16 по 20-й, у 5-му з 21-го по 25-ий у 6-му з 26 по 31-ий.

Визначення всихання, щільності та міцності деревини сучків та стовбурів

Прилади та матеріали:

зразки деревини сосни стовбура та сучка розміром 10x10x15 мм; мікрометр типу МК (ГОСТ 6507-90) [113]; сушильна шафа модель 2В-151;

ваги AXIS 250, точність вимірювання 0,01 г; розривна машина Р-5.

Для виготовлення зразків були відібрані сучки великих діаметрів. Враховуючи, що діаметр сучка має конусоподібну форму і у напрямку до серцевини його діаметр звужується, отримання чистих стандартних зразків, з паралельним розташуванням волокон є неможливим. Тому була використана методика [117] за якою зразки мають розміри у два рази менші за стандартні - 10x10x15 мм. їх необхідно вирізувати вище та нижче серцевини сучків, на ділянках до виходу сучків з деревини (рис. 2.2, б). Щоб мати можливість порівняти досліджувані властивості деревини сучків з властивостями деревини, додатково були вирізані такого ж розміру зразки із стовбура. Зразки вирізувалися вище та нижче серцевини сучків на 100 мм з річних шарів, відкладених у один період.

Спочатку були вирізані рейки, з яких відібрані по 2 зразки: один для визначення коефіцієнта всихання та щільності, інший - для визначення міцності при стиску вздовж волокон.

Рис. 1.2. Схема відбирання зразків для визначення: а) ширини річних шарів та відсотка пізньої деревини; б) всихання (1), та міцності на стиск вздовж волокон (2)

Для проведення експериментальних досліджень радіального, тангенціального та об'ємного всихання використано методику ГОСТ 16483.37-88 [118].

Для вимірювання розмірів зразка застосований мікрометр типу МК з точністю не більше 0,01 мм. Для підсушування зразків використано сушильну шафу де реалізовано таку температуру сушіння t = (103 ± 2) °С.

Оскільки коефіцієнт варіації всихання становить V=28 % [119] тому для досягнення точності P=5 %, досліджено по 210 зразків з розтягнутої та стиснутої зон сучків та деревини стовбура.

Визначення щільності проводилося за методикою ГОСТ 16483.1-84 [120]. Розміри зразків виміряно штангенциркулем з точністю 0,1 мм, вагу зразків визначено на вагах AXIS 250 з точністю не більше 0,01 г (рис. 2.3, а).

Рис. 1.3. Обладнання для визначення щільності та міцності на стиск вздовж волокон: а) ваги AXIS 250; б) розривна машина Р-5

Міцність на стиск вздовж волокон визначалася за методикою ГОСТ 16483.10-73 [120]. Випробування проведено на розривній машині Р-5 за вологості зразків W=12 % (рис. 2.3, б).

Зважаючи на довірчу похибку, прийняту для деревинознавства P<5 % [119], для забезпечення коефіцієнта варіації V=10 % з визначення щільності досліджено 30 зразків, для визначення межі міцності на стиск вздовж волокон за коефіцієнта варіації V=13 % досліджено 45 зразків.

Методика досліджень сушіння круглих лісоматеріалів

Методика досліджень сушіння круглих лісоматеріалів включає теоретичне обґрунтування процесу, що дозволяє аналітично описати виникнення та розвиток внутрішніх напружень в круглому сортименті; його моделювання, яке дозволяє визначитися з вагомими факторами, що впливають на досягнення якісного сушіння та експериментальну перевірку запропонованих моделей.

Експериментальні дослідження величини сушильних напружень в пило продукції проводять за відомою методикою [121, 122]. Для круглих лісоматеріалів такої методики не існує, тому нами було запропоновано імітаційне моделювання процесу, яке показало, що вагомий вплив на розвиток внутрішніх напружень мають діаметр сортименту, перепад вологості за радіусом, режим та спосіб сушіння ( в корі або без неї).

Для проведення експериментальних досліджень виявлення залежності внутрішніх напружень в круглих сортиментах від вологості необхідно визначити матеріали та обладнання, а саме підібрати: сушильну шафу, вологомір, термометр, ваги, штангенциркуль, мірну лінійку, персональний комп'ютер; кількість і розміри дослідних зразків.

Прилади та матеріали: ваги електронні AXIS 250, точність вимірювання 0,01г;

термометри 0-120 °С (ГОСТ 28498-90), з точністю вимірювання ± 1 ° С [123]; штангенциркуль (ГОСТ 166-80) [124]; масштабна лінійка з точністю вимірювання 1 мм;

персональний комп'ютер для оброблення та оформлення результатів досліджень;

вимірювач вологості деревини цифровий ИВД -6м; сушильна шафа.

У якості сушильної шафи було використано лабораторну сушарку, схему якої наведено на рис. 2.7, звідки видно, що вона має дві камери змішування -1, де відбувається змішування відпрацьованого повітря з парою, що подається з котла - 3 та нагрівається за допомогою калорифера -4, і камери сушіння -2, в якій розміщується висушуваний матеріал. Розміри цієї камери дозволяють завантажувати матеріал габаритним розміром 600x600x1000 мм. Рух повітря відбувається за допомогою відцентрового вентилятора - 5, оснащеного двигуном постійного струму 6 та регулятором швидкості обертання. Для регулювання швидкості руху повітря існує шибер - 7. Значна продуктивність вентиляторного пристрою дозволяє створити перед штабелем матеріалу такий тиск повітря, який забезпечує рівномірну циркуляцію агента сушіння.

Пристрій має теплову ізоляцію. Контроль за станом сушильного агента відбувається за показами контактних термометрів ( сухого - 8 та змоченого -9), що встановлені у повітропроводі сушарки. Контроль та підтримування заданих параметрів середовища забезпечується автоматичним регулятором. Максимальне відхилення від середнього значення складає не більше 0,2 °С.

Для попередніх експериментальних досліджень були відібрані три круглі не обкоровані сортименти сосни звичайної діаметрами 0,14 та 0,28 м, що застосовуються в деяких елементах дерев'яного домобудування. В кожній колоді проведено не менше 30 замірів вологості поверхні та центральної частини для виявлення необхідної кількості, п, паралельних спостережень в подальших дослідах. За результатами експерименту визначено коефіцієнт варіації.

Рис. 1.4. Схема лабораторної сушарки

На рис. 1.5-1.6 показано елементи сушильного обладнання яке використовувалось для проведення експериментів та розміщення дослідних зразків з датчиками вологості у пристрої.

Рис. 1.5. Лабораторний пристрій для проведення експериментів: а) камери, де проводиться сушіння зразків; б) пульт управління сушильним пристроєм; в) термометри

Рис. 1.6. Лабораторний сушильний пристрій: 1 - дослідні зразки, 2 -вологомір, 3 - місця встановлення датчиків вологоміру

Кількість замірів в основному експерименті була визначена за формулою:

де ґ - критерій Стьюдента, ґ = 1,96 при рівні значущості д = 0,05;

Р - показник точності, в деревообробній галузі Р = 5 % ;

V - коефіцієнт варіації, з попередніх експериментів Ґ=16 % .

Отже, п= 1,962 * 16,12/25 = 30 шт.

Для якісної і кількісної оцінки впливу різних факторів і їх парних взаємодій на величину внутрішніх напружень необхідно провести повні факторні експерименти (ПФЕ) типу 23, за результатами яких отримують лінійні моделі виду:

Для проведення повного факторного експерименту необхідно визначити фактори, які мають вплив на вихідний параметр, в якості якого вибрано внутрішні напруження. Отже, було вибрано такі фактори: відстань від центру сортименту до точки напруження - х1, м; вологість деревини в центрі сортименту - х2, %; вологість деревини на поверхні сортименту - х5, %. Матрицю планування повного факторного експерименту, робочу матрицю та результати моделювання наведено в табл. 1.2

Таблиця 1.2. Матриця планування основних експериментів

Схему розташування зондів вологоміру наведено на рис. 1.7, з якого видно, що виміри вологості поверхні сортименту відповідають вимірам між точками 11-21 та 11-31. Значенням вологості центру сортименту -відповідають виміри, отримані між точками 21-31, зануреними в глибину.

Рис. 1.7. Розташування точок вимірювання опору на колоді

Паралельно з вимірюванням вологості у вказаних точках за допомогою вологоміру ИВД-6м було проведено виміри електричного опору між ними згідно з патентом. Відповідність отриманих значень опору вологості сортименту, отриманої як за допомогою кондуктометричного вологоміру, так і ваговим способом дозволили використати запропонований метод для оцінювання вмісту вологи та її перепаду за перетином круглого лісу.

Размещено на Allbest.ru