Способ испытания древесины растущих деревьев

 

Изобретение относится к лесной и деревообрабатывающей промышленности, а также к лесному хозяйству. Способ заключается в том, что после взятия кернов до изучения свойств древесины измеряют геометрические и размерные параметры каждого керна. Определяют поправки к значениям изучаемых свойств древесины по углам наклона керна к радиусу сечения дерева в продольно-радиальной и радиально-тангенциальной плоскостях анизотропии древесины. В качестве изучаемых и уточняемых свойств древесины принимают ширину годичных слоев, ширину слоев поздней и ранней древесины, плотность древесины и скорость ультразвука вдоль керна, при этом после количественного измерения значений этих свойств их пересчитывают с учетом поправок. Это позволит повысить точность испытаний древесины растущих деревьев путем учета поправок влияния параметров керна на свойства древесины. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к лесной отрасли и может быть использовано при сертификации древесины на корню в ходе лесоустройства, а также при экологической оценке лесов. В частности изобретение может быть использовано в инженерной экологии при изучении акустических свойств растущей ели, а также при отборе и резонансных кряжей из сортиментов в ходе выполнения лесозаготовок.

Технический результат - повышение точности испытаний древесины растущих деревьев путем учета поправок влияния параметров керна на свойства древесины.

На фиг. 1 приведена схема расположения строго радиально ориентированного керна в стволе дерева; на фиг. 2 - керн в процессе взятия из дерева наклонен под некоторым углом ϑ₁ в продольно-радиальной плоскости анизотропии древесины; на фиг. 3 - в процессе извлечения керн наклонен под углом ϑ₂ в радиально-тангенциальной плоскости анизотропии; на фиг. 4 - в реальном процессе взятия керн наклонен в стволе дерева под двумя углами ϑ₁ и ϑ₂ относительно двух плоскостей анизотропии древесины.

Способ испытания древесины растущих деревьев, например ели, включает в себя следующие действия.

В большинстве практических случаев извлечение керна возрастным буравом выполняется с наклоном к радиусу дерева под углами ϑ₁ и ϑ₂.

Керн содержит рабочую часть 1 длиной l_к. При взятии керна бурав ориентируется относительно продольной оси 2 дерева. При этом керн включает в себя присердцевинную зону 3 диаметров D_с, рабочую зону 4 диаметром от D_с до D_n, периферийную зону 5 диаметром от D_n до D, где D - диаметр ствола дерева без коры. Кора 6 и часть зоны 5 при входе бурава разрушаются.

Таким образом, взятие керна предполагает визуальный осмотр места на дереве, высверливаемого буравом в стволе, извлечение керна из дерева и разделку керна на части (в некоторых случаях каждую часть - на отрезки).

Измерение параметров керна при сертификации еловой древесины на возможность изготовления из нее деталей музыкальных инструментов выполняется на рабочей части керна длиной l_к и средним диаметром d.

В точках A и B торцы керна должны быть перпендикулярны продольной оси керна. Параметрами керна становятся длина l_к, диаметр d, число годичных слоев (показаны штриховкой), расположение ранней или поздней древесины на конце керна (в точках A и B), угол ϑ₁ наклона керна (рабочей части керна, отрезка керна в специальных исследованиях) в продольно-радиальной плоскости ar анизотропии древесины, угол ϑ₂ наклона керна в радиально-тангенциальной плоскости rt анизотропии древесины, овальности сечения керна, а в некоторых случаях равномерность значений ширины годичных слоев, равномерность доли поздней древесины в годичных слоях. Все эти параметры могут изменяться и тем самым влиять на различные изучаемые свойства древесины: ширина годового слоя, плотность, скорость звука и другие.

Часть параметров керна влияет на изменение значений других параметров, например, углы ϑ₁ и ϑ₂ влияют на изменение длины l_к. Поэтому поправки приходится учитывать и при исследовании некоторых параметров керна. При строго радиально ориентированном керне длина рабочей части l_ко является истинной и она равна замеренной длине l_к. Чем больше значения углов наклона ϑ₁ и ϑ₂, то тем значительнее разница между l_к и l_ко.

В экспериментальных исследованиях необходимо определять поправки к изучаемым свойствам древесины в общем случае с учетом всех вышеуказанных параметров керна. Однако в конкретных случаях появляется возможность упрощения процесса испытания древесины растущих деревьев из-за следующих причин: 1) длина l_к для спелых деревьев ели меняется в значительных пределах, однако, как показали наши эксперименты, фактические интервалы значений l_к незначительно изменяют свойства древесины; 2) диаметр d при использовании одного и того же бурава имеет почти постоянное значение; 3) при ориентации бурава поперек ствола дерева углы ϑ₁ и ϑ₂ получают значения менее 20-25 градусов, и в этом случае число годичных слоев изменяется незначительно; 4) расположение ранней и поздней древесины на конце керна (в точках A и B) для экспериментов по сертификации резонансной древесины ели влияет практически незначительно; 5) овальность сечения рабочей части керна при кондиционировании древесины из-за постоянства диаметра d у всех кернов становится одинаковой и может быть описана эллипсом с диаметрами d₁ вдоль волокон) и d₂ (в тангенциальном направлении), а диаметр керна определяется как среднее арифметическое d=0,5(d₁+d₂).

Поправку к изучаемым свойствам древесины по углам ϑ₁ и ϑ₂ определяют по следующим формулам Значения D_n и D_c измеряются непосредственно на керне до его разделки и отделения рабочей части. На практике возможны случаи, когда извлекается керн без сердцевины дерева или керн значительно наклонен под углом ϑ₂ .

В этих случаях необходимо определить значение D_c по формуле При этом определение диаметра D_n не встречает трудностей, так как он высчитывается как разность между диаметром D и глубиной периферийной зоны ствола дерева.

Углы ϑ₁ и ϑ₂ измеряют на конце A керна со стороны периферии дерева потому, что здесь они выражены четче и поэтому замеры выполняются точнее. При неравномерных годовых слоях и значительных наклонах ϑ₂ керн разрезают на отрезки и для каждого отрезка измеряют углы ϑ₁ и ϑ₂ также на конце керна со стороны периферий дерева.

Изучение свойств древесины выполняют на рабочей части керна или на его отрезках. При необходимости могут изучаться свойства заболонной (периферийной) и сердцевинной древесины.

Пересчет значений изученных свойств древесины керна выполняется путем перемножения поправки ζ на количественно измеренное свойство. Например, получим ряд формул:
l_ко= ζl_к,
b_o= ζb,
V_o= ζV,
ρ = ρ/ζ,
где b - измеренная ширина годового слоя, V - объем керна, ρ - плотность древесины керна (или его отрезка).

Скорость звука U вдоль керна раскладывается по осям анизотропии по формуле
U = U_a-(U_a-U_t)cosϑ₁+(U_r+U_t)cosϑ₁cosϑ₂,
где U - измеренная на ультразвуковом приборе вдоль керна скорость звука, U_a - скорость звука вдоль волокон, U_r - скорость звука в радиальном направлении, U_t - скорость звука в тангенциальном направлении.

В этой формуле известными являются свойства древесины по U и параметры керна ϑ₁ и ϑ₂ , а не известными будут свойства древесины U_a, U_r и U_f. Для их определения на ПЭВМ необходимо учесть, что существуют соотношения U_a/U_r и U_r/U_t, которые определены экспериментально. Нами предлагаются следующие условия поиска значений скоростей звука по осям анизотропии древесины:
2,8 < U_a/U_r < 4,5
1,1 < U_r/U_t < 1,3
Таким образом, поправка ζ для скорости звука не учитывается.

Способ испытания древесины растущих деревьев реализуется, например, при изучении акустических и иных свойств древесины елей с целью изготовления деталей музыкальных инструментов следующим образом.

В общем случае рабочая часть 1 керна извлекается из растущего дерева для:
1) сертификации древесины на корню при обеспечении минимальных отклонений по углам ϑ₁ и ϑ₂ ;
2) специальных исследований анизотропии изучаемых свойств древесины растущих деревьев, когда планируется эксперимент с дискретными значениями ϑ₁ и ϑ₂ ;
3) специальных исследований динамики изучаемых свойств древесины по радиусу ствола (разделение всех частей по зонам 3, 4 и 5 на отрезке).

Во всех этих случаях оказываются значительными поправки ζ, вычисляемые по изменениям параметров ϑ₁ и ϑ₂ керна.

Вначале осматривают кору 6 и поверхность для возможности взятия керна буровом (возрастным или приростным). Затем буровом высверливают керн и разделывают его на части и отрезки. Для сертификации достаточно изучения свойств древесины рабочей части 1 керна.

Затем рабочая часть керна измеряется по параметрам строения и геометрии.

Поправку ζ к изучаемым свойствам древесины определяют по формуле ζ = l_ко/l_к, где l_ко = 0,5D_n - 0,5D_c. При этом значение D_n и D_c замеряют на керне до его разделки.

После этого измеряют свойства древесины рабочей части керна, а затем их пересчитывают умножением поправки ζ на измеренные значения стволов древесины. При этом в скорости звука поправку ζ не учитывают.

Параметры керна измеряют до изучения свойств древесины потому, что при нежелательных значениях параметров и высоких значениях поправок во многих случаях данный керн бракуется и выполняется взятие из данного дерева нового керна.

Взятие керна является первым действием потому, что без него невозможно измерение параметров керна, а затем и изучение свойств древесины керна.

Изучение свойств древесины керна может быть выполнено в различных режимах времени: в лесу около исследуемого растущего дерева с помощью переносных приборов, инструментов и вычислительных средств; около пня разделанного на бревна ствола поваленного дерева; на верхнем складе лесозаготовительного участка; на нижнем лесопромышленном складе лесного предприятия; в специальном цеху выдержки и обработки древесины на черновые заготовки из спецсортиментов (музыкальных инструментов, столярно-строительных изделий и пр.).

В последнем случае возможно использование точных методов изучения свойств древесины с использованием стационарных технических средств. Например, по мере продвижения от резонансной ели по технологическому процессу изготовления музыкальных инструментов к чистовым деталям применяются все более сложные и точные методы более подробной сертификации резонансной древесины.

Применение предлагаемого способа испытания древесины позволяет в соответствии с лесным кодексом Российской Федерации сертифицировать древесину на корню. С использованием керна возможно многократное испытание одного и того же произрастающего дерева. Это позволяет сертифицировать древостои и создавать службы мониторинга для управления ходом роста и развития лесов, улучшения их качества как по ресурсам древесины, так и по средорегулирующим функциям. Поэтому предлагаемый способ эффективен и в инженерной экологии для экологической сертификации лесных массивов.

Формула изобретения

1. Способ испытания древесины растущих деревьев, включающий взятие кернов, изучение строения и свойств древесины, отличающийся тем, что после взятия кернов до изучения свойств древесины измеряют геометрические и размерные параметры каждого керна, определяют поправки к значениям изучаемых свойств древесины по углам наклона керна к радиусу сечения дерева в продольно-радиальной и радиально-тангенциальной плоскостях анизотропии древесины, причем в качестве изучаемых и уточняемых свойств древесины принимают ширину годичных слоев, ширину слоев поздней и ранней древесины, плотность древесины и скорость ультразвука вдоль керна, при этом после количественного измерения значений этих свойств их пересчитывают с учетом поправок.

2. Способ испытания древесины растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что керн разделывают на исследуемые отрезки.

3. Способ испытания древесины растущих деревьев по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что углы наклона керна к радиусу сечения дерева в продольно-радиальной и радиально-тангенциальной плоскостях анизотропии древесины измеряют на конце керна или его отрезка со стороны периферии ствола.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4