Способ испытания древесины

Изобретение относится к лесной отрасли и может быть использовано при сертификации технической древесины и технологическом мониторинге механической обработки древесины в условиях различных деревообрабатывающих предприятий, например непрерывной сертификации и сортировки древесного сырья и полуфабрикатов по качеству древесины на деревообрабатывающих производствах при хранении круглых, колотых и пиленых лесоматериалов, а также в ходе лесозаготовительных работ. При испытании материала из технической древесины применяют конусную головку удобообтекаемой формы. Дополнительно измеряют импульсы изменения усилия проникания конусной головки удобообтекаемой формы в радиальном направлении, располагая материал из технической древесины относительно вектора перемещения головки от периферии к сердцевине ствола дерева. По скважности и ритмичности импульсов силы судят о качестве древесины. Это позволит упростить процесс испытания древесины, расширить применение от растущего состояния до различных видов полуфабрикатов (деревьев, а также круглых, колотых и пиленых материалов) и строительных изделий из древесины, а также обеспечить слежение за прочностью и надежностью старых деревянных конструкций в виде домов, столбов, мостов и т.д. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к лесной отрасли и может быть использовано при сертификации технической древесины и технологическом мониторинге механической обработки древесины в условиях различных деревообрабатывающих предприятий, например непрерывной сертификации и сортировки древесного сырья и полуфабрикатов по качеству древесины на деревообрабатывающих производствах при хранении круглых, колотых и пиленых лесоматериалов, а также в ходе лесозаготовительных работ. Изобретение может быть использовано также при технологическом мониторинге за старыми деревянными сооружениями (дома, мосты и пр.), например, по контролю качества и надежности деревянных строений.

Известен способ испытания древесины сжатием поперек волокон на части длины и ширины образца в радиальном направлении в режиме трехфазного деформирования до четверти начальной высоты образца без видимых следов разрушения до предела пропорциональности по диаграмме сжатия, не доводя испытуемый образец до разрушения от местного смятия (см. книгу: Перелыгин А.М. Древесиноведение. - М.: Лесная промышленность, 1969. – 320 с. - С.158-162).

Недостатком известного способа является сложность и высокая трудность изучения древесины на так называемых стандартных образцах, которые необходимо изготовлять размерами 20×20×60 мм. На цельных заготовках необходимо иметь ровную поверхность. При этом способ не позволяет испытывать техническую древесину непосредственно в условиях хранения на складах и цехах деревообработки. Кроме того, невозможно испытание элементов деревянных строений, например старых строений, у которых необходимо испытать техническую древесину с целью проверки надежности и прочности конструкций.

Известен также способ испытания древесины, основанный на различии глубины внедрения (погружения) в древесину стержня с коническим наконечником при одинаковом контрольном усилии на него, причем по значению глубины погружения стержня судят о свойствах (качестве) древесины (Леонов Л.В. Технологические измерения и приборы в лесной и деревообрабатывающей промышленности. - М.: Лесная промышленность, 1984. - С.76-81).

Недостатком является то, что при радиальном местном сжатии конусной головкой, имеющей неоптимальную для древесины форму, происходит неравномерное изменение усилия от ранней и поздней зоны годичного слоя. Поэтому по одному только изменению усилия невозможно судить о качестве технической древесины. Поэтому главным свойством является не усилие проникания, а ритмичность тресков от проникающей головки. Поэтому испытание технической древесины предполагает в простейшем случае измерение импульсов изменения усилия зондирования, ее скважность и ритмичность.

Технический результат - упрощение процесса испытания древесины, расширение применения от растущего состояния до различных видов полуфабрикатов (деревьев, а также круглых, колотых и пиленых материалов) и строительных изделий из древесины, а также слежение за прочностью и надежностью старых деревянных конструкций в виде домов, столбов, мостов и других.

Это достигается тем, что в способе испытания древесины, включающем погружение конусной головки в испытываемый материал, вычисление показателя свойств испытываемого материала по усилию проникания конусной головки, причем погружение выполняют при помощи подающих механизмов, а о прочности испытываемого материала судят по сопротивлению материала погружению конусной головки, при испытании материала из технической древесины применяют конусную головку удобообтекаемой формы, дополнительно измеряют импульсы изменения усилия проникания конусной головки удобообтекаемой формы в радиальном направлении, располагая материал из технической древесины относительно вектора перемещения головки от периферии к сердцевине ствола дерева, причем по скважности и ритмичности импульсов силы судят о качестве технической древесины.

На сухой древесине строительных конструкций импульсы измеряют по звуковым сигналам, передающимся от конусной головки в виде скрипов от разрушения поздней зоны годичного слоя, а по скважности звукового сигнала судят о проценте поздней древесины годичных слоев.

Осуществляют одновременную запись графиков усилия и импульсов проникновения двухконусной головки в испытуемый материал, проводят сопоставление усилий местного разрушения поздней и ранней зоны каждого слоя и по отношению этих усилий судят о качестве технической древесины строительных изделий и бревен, находящихся в условиях долговременного хранения.

При испытании растущих деревьев и сырых материалов из технической древесины импульсы изменения усилия проникания сопоставляют с измерениями годичных слоев и их ранней и поздних зон на кернах древесины, полученных полой двухконусной головкой.

Испытание растущих деревьев выполняется в вегетационный период во время максимального движения соков древесных растений.

Сущность технического решения заключается в том, что различают сухую и сырую техническую древесину. В первом случае измеряют звуковые импульсы, сопровождающие скачкообразное изменение силы проникания двухконусной головки в испытуемый материал. При этом по звукам можно, даже без записи силы проникания, судить о качестве древесины.

Во втором случае звуковые импульсы слабы и их можно измерять только специалистами пьезодатчиками. Однако на сырорастущем дереве и сыром материале (например, сплавная древесина) можно изготовлять керны древесины, которые образуются из-за малости силы проникания.

Чем шире годичный слой, то тем заметнее изменение силы проникания (фиг.2) и звука от разрушения поздней зоны годичного слоя. Современными пьезодатчиками вполне удается точно измерять динамику силы и звука проникания в неоднородной древесине в радиальном направлении. При этом от периферии к сердцевине позволяет получить четкие импульсы силы и звука. Это условие на деревьях и бревнах выполняется само собой, а на горбыле (фиг.3) и на доске (фиг.4) учитывается это направление.

В связи с этим техническое решение обладает существенными отличительными признаками, новизной, положительным эффектом и перспективой практического применения (много в России зданий и сооружений из стволовой древесины, в том числе сооружения исторического значения).

Из анализа научно-технической и обзора патентной литературы материалов, порочащих новизну предлагаемого способа, не обнаружено.

На фиг.1 показана зона бревна строительной конструкции в процессе испытания технической древесины; на фиг.2 - типовой график изменения усилия пенетрации древесины в зависимости от глубины внедрения в испытуемый элемент строительной конструкции; на фиг.3 - схема испытания технической древесины на горбыле в ходе процесса распиловки бревен; на фиг.4 - схема пенетрации технической древесины на толстой необрезной доске; на фиг.5 - схема испытания бревна деревянного дома; на фиг.6 - схема пенетрации ствола растущего дерева; на фиг.7 - головка пенетрометра для технической древесины; на фиг.8 - схема головки пенетрометра для испытания технической древесины в растущем состоянии с внутренним отверстием; на фиг.9 - схема испытания технической древесины в растущем состоянии полым пенетрометром с извлечением керна древесины.

Способ испытания древесины включает в себя следующие действия.

Все строительные изделия из технической древесины можно разделить на три группы:

а) старые деревянные конструкции с элементами из бревен, брусьев и досок, которые необходимо проверять на прочность и надежность для принятия решения о дальнейшей эксплуатации;

б) строительные бревна и другие полуфабрикаты, которые необходимо проверить и сертифицировать для применения в тех или иных строительных конструкциях;

в) растущие деревья, их стволы и крупные ветви, из которых лесными таксаторами намечено получить строительные бревна и другие полуфабрикаты для изготовления различных деревянных сооружений (зоны ствола, из которых можно получить строительные бревна, известны еще на растущем дереве).

В испытуемое изделие 1 медленно погружается пенетрометр 2 с конусообразной головкой, который может быть изготовлен полым для испытания растущих деревьев и сырых изделий из древесины (например, сплавных бревен). Конусообразная головка выполняется двухконусной с углами заострения 60-80 градусов при вершине 3 и 15-16 градусов у основания 4 двухконусной головки, что позволяет приблизить форму проникающего тела к параболическому виду, оптимальному для проникания в древесину.

Для улучшения ориентации двухконусной головки на ней выполняется цилиндрическая фаска 5. Диаметр пенетрометра принимается наименьшим по условиям прочности и устойчивости при проникании в древесину. Практически достаточно принять диаметр фаски головки 5-6 мм, а с внутренней полостью для керна 4-5 мм диаметр пенетрометра принимается 8-10 мм.

Во всех случаях проникание выполняют от периферии ствола дерева к его центру. На досках для этого используют кромку, а на горбылях ориентируют по радиусу годичных слоев. Поэтому испытание выполняется, по возможности, строго в радиальном направлении от периферии к центру.

В предлагаемом способе используются несколько физических эффектов. Первый относится к типовому графику изменения усилия проникания (Печенкин В.Е., Мазуркин П.М. Бесстружечное резание древесины. - М.: Лесная промышленность, 1986. - С.42-43). В соответствии с ней путь проникания можно разделить на две части: во-первых, зона I неустойчивого роста усилия до максимального значения, что характеризуется увеличением площади контакта до полного заглубления двухконусной головки в древесину; во-вторых, зона II равномерного изменения силы проникания от некоторого значения Р_p для ранней древесины до значения Р_n для поздней древесины. Второй эффект относится к отношению сил проникания Р_n/Р_p, который изменяется в интервале 1,2-3,0 для различных пород древесины и различной влажности. Для гнилой древесины это отношение приближается к единице и при этом усилие также резко снижается. Поэтому предлагаемый способ испытания позволяет найти и обозначить глубину распространения гнили от сердцевины к периферии ствола дерева или бревна. Третий эффект заключается в удобообтекаемой форме двухконусной головки, подробно описанной в книге (Печенкин В.Е., Мазуркин П.М. Бесстружечное резание древесины. - М.: Лесная промышленность, 1986. - С.50-52). Здесь показаны формулы квадратичной параболы, которая позволяет определить высоты обоих конусов от вершины до основания в зависимости от диаметра фаски стержня пенетрометра.

Способ испытания технической древесины реализуется, например, на бревне деревянного дома следующим образом.

Вначале на строительном объекте выбирают изделие 1 и осматривают его для возможного проникания пенетрометра. Затем медленно выполняют проникание двухконусной головки пенетрометра в древесину.

В зоне I показатели проникания (сила и импульс звука) не замеряют, а замеры начинают с момента полного заглубления двухконусной головки 3 и 4 и фаски 5 пенетрометра 2. По ровности изменения силы и звука судят о качестве этого бревна и всего сооружения в целом.

На растущем дереве, например, в весенний период в максимуме сокодвижения выполняют проникание двухконусной головки в выбранном месте (чаще всего на высоте груди исследователя, то есть на высоте 1,3 м) и выполняют испытание переносным полым пенетрометром. После записи силы извлекают керн древесины и его годичные слои сопоставляют с записью динамики усилий Р_n/Р_р (звук здесь будет слабым, поэтому импульсы звука можно не регистрировать).

Предлагаемый способ является универсальным для многих деревянных строительных объектов, а также позволяет еще до заготовки строительных бревен испытывать стволы и ветви растущих деревьев для оценки степени пригодности их в строительстве. В итоге реализуется технологический мониторинг строительных конструкций из деревянных элементов во всем жизненном цикле от растущего дерева до старых сооружений.

1. Способ испытания древесины, включающий погружение конусной головки в испытываемый материал, вычисление показателя свойств испытываемого материала по усилию проникания конусной головки, причем погружение выполняют при помощи подающих механизмов, а о прочности испытываемого материала судят по сопротивлению материала погружению конусной головки, отличающийся тем, что при испытании материала из технической древесины применяют конусную головку удобообтекаемой формы, дополнительно измеряют импульсы изменения усилия проникания конусной головки удобообтекаемой формы в радиальном направлении, располагая материал из технической древесины относительно вектора перемещения головки от периферии к сердцевине ствола дерева, причем по скважности и ритмичности импульсов силы судят о качестве технической древесины.

2. Способ испытания древесины по п.1, отличающийся тем, что на сухой древесине строительных конструкций импульсы измеряют по звуковым сигналам, передающимся от конусной головки в виде скрипов от разрушения поздней зоны годичного слоя, а по скважности звукового сигнала судят о проценте поздней древесины годичных слоев.

3. Способ испытания древесины по п.1, отличающийся тем, что осуществляют одновременную запись графиков усилия и импульсов проникания двухконусной головки в испытуемый материал, проводят сопоставление усилий местного разрушения поздней и ранней зоны каждого слоя и по отношению этих усилий судят о качестве технической древесины строительных изделий и бревен, находящихся в условиях долговременного хранения.

4. Способ испытания древесины по п.1, отличающийся тем, что при испытании растущих деревьев и сырых материалов из технической древесины импульсы изменения усилия проникания сопоставляют с измерениями годичных слоев и их ранней и поздних зон на кернах древесины, полученных полой двухконусной головкой.

5. Способ испытания древесины по п.1 или 4, отличающийся тем, что испытание растущих деревьев выполняют в вегетационный период во время максимального движения соков древесных растений.