Способ ультразвукового испытания древесины круглых лесоматериалов
Изобретение относится к технической древесине в виде круглых лесоматериалов и может быть использовано при сертификации древесины в условиях лесозаготовок, лесного хозяйства и деревообработки при контроле качества круглых лесоматериалов в различных условиях их хранения. Изобретение может быть использовано также в инженерной экологии при оценке экологического состояния и экологического режима территории ультразвуковыми свойствами древесины заготовленных на данной территории круглых лесоматериалов. Способ заключается в том, что из круглого лесоматериала отпиливают образец в виде чурки, на торцах которой симметрично наносят радиальные линии с метками. По этим линиям от центров годичных колец измеряют радиусы меток. Устанавливают датчики ультразвукового прибора относительно симметричных меток на торцах чурки, причем один из датчиков является приемником. Затем дважды выполняют измерение ультразвуковых параметров древесины между торцами чурки по всем меткам и между центрами годичных колец торцов чурки, меняя положение датчика с приемником, после чего выявляют закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль радиусов чурки. Это позволит упростить процесс и снизить трудоемкость ультразвукового испытания и сертификации технической древесины в виде круглых лесоматериалов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технической древесине в виде круглых лесоматериалов и может быть использовано при сертификации древесины в условиях лесозаготовок, лесного хозяйства и деревообработки, при контроле качества круглых лесоматериалов в различных условиях их хранения. Изобретение может быть использовано также в инженерной экологии при оценке экологического состояния и экологического режима территории ультразвуковыми свойствами древесины заготовленных на данной территории круглых лесоматериалов.
Известен способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев по патенту №2224416, МКИ А 01 G 23/00, G 01 N 33/46, включающий выбор учетного дерева, выполнение пазов с торцами, параллельными друг другу и соосно расположенными симметрично относительно продольной оси ствола растущего или срубленного дерева, измерение ультразвуковых параметров древесины.
Недостатком является сложность проведения испытательных действий непосредственно на заготовленных круглых лесоматериалах, которые к тому же уже имеют торцы по своим концам.
Известен также способ ультразвукового испытания технической древесины по патенту №2224415, МКИ А 01 G 23/00, G 01 N 33/46, включающий изготовление на круглом лесоматериале по крайней мере двух пазов с перемычкой древесины между ними, закрепление датчиков ультразвукового прибора в пазах на торцах перемычки и измерение ультразвуковых параметров древесины между пазами.
Недостатком является высокая трудоемкость изготовления пазов на круглых лесоматериалах, находящихся в штабеле, поэтому практически невозможно ультразвуковое испытание древесины бревен без раскатки штабеля.
Технический результат - упрощение процесса и снижение трудоемкости ультразвукового испытания и сертификации технической древесины в виде круглых лесоматериалов.
Этот технический результат достигается тем, что из круглого лесоматериала отпиливается образец в виде чурки, на торцах которой симметрично наносят радиальные линии с метками, по этим линиям от центров годичных колец измеряются радиусы меток, датчики устанавливают относительно симметричных меток на торцах чурки, причем один из датчиков является приемником, затем измерение ультразвуковых параметров древесины между торцами чурки по всем меткам и между центрами годичных колец торцов чурки выполняют дважды, меняя положение датчика с приемником, а затем выявляют закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль радиусов чурки.
Два торца чурки по отношению к продольной оси ствола дерева в направлении от комля к вершине принимаются за верхний торец и нижний торец, причем между торцами чурка испытуемой древесины принимается не меньшей длины стандартного образца для ультразвуковых испытаний, то есть более 300 мм.
Радиальные линии с метками на торцах наносятся по геодезическим направлениям, причем линии и метки принимаются симметричными относительно продольной оси чурки, проходящей между центрами годичных колец, расположенных на торцах чурки, поэтому между метками обоих торцов чурки образуются параллельные продольной оси чурки линии ультразвуковых измерений.
Измерение ультразвуковых параметров древесины по симметричным меткам и центрами торцов выполняют по направлениям от комля к вершине и от вершины к комлю модельного дерева, с которого заготовлен круглый лесоматериал и отпилена чурка, причем по разнице ультразвуковых параметров оценивают техническое качество древесины круглых лесоматериалов и экологическое качество территории, на которой были заготовлены круглые лесоматериалы.
Закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль радиусов чурки выявляют по скорости ультразвука по следующим формулам:
где ν - скорость ультразвука, м/с;
L - длина чурки, мм;
τ - время прохождения ультразвука, показываемое на экране переносного ультразвукового прибора, мс;
ν0 - начальное значение скорости ультразвука по отношению к продольной оси чурки, то есть между центрами годичных колец, расположенных на торцах чурки, м/с;
R - радиус расположения метки на торце чурки по одному из геодезических направлений, см;
a1 - активность экспоненциального роста скорости ультразвука от центра к периферии, то есть от сердцевины к камбиальному слою;
а2 - интенсивность экспоненциального роста скорости ультразвука по радиусу ствола дерева от сердцевины к заболонной древесине.
Формула 
является устойчивым законом экспоненциального роста скорости ультразвука по радиусу ствола, параметры a1 и а2 которого изменяются в зависимости от качества древесины срубленного модельного дерева (измерения через несколько минут после рубки дерева) или заготовленных круглых лесоматериалов по результатам испытания после их какого-то срока хранения, при этом этот закон изменяет значения параметров ν0, а1 и а2 экспоненциального закона в зависимости от направления измерений:
1) направление от комля к вершине, то есть по движению минеральных веществ от корней к кроне по клеткам заболонной древесины
2) направление от вершины к комлю, то есть по движению продуктов ассимиляции от кроны к корням по клеткам коры
Причем для здоровой древесины наблюдается условие ν1>ν2.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что чурки, отпиленные от бревен, в зависимости от качества исходной информации рассматриваются двояко. С одной стороны, упрощенный подход предполагает, что в штабеле круглых лесоматериалов находятся бревна, у которых не отмечено северное направление (эта метка имеется у модельных деревьев и их кружков-спилов), а также неизвестно отношение торцов бревен комлю или к вершине дерева (хотя у длинных бревен это заметно). С другой стороны, в условиях лесоустройства имеются вся исходная информация по чуркам, выпиленным в виде кружков-спилов от стволов модельных деревьев.
Сущность заключается также в том, что найдено новое физическое явление различия в значениях скорости ультразвука в двух различных продольных направлениях ствола дерева. При этом эта разница, как и значение самой скорости ультразвука, зависит от качества древесины и от качества места произрастания дерева. Чтобы была сопоставимость со стандартными образцами для ультразвуковых испытаний, принята длина чурки более 300 мм. Однако значение этой длины не имеет принципиального значения, так как с уменьшением длины менее 300 м можно ввести поправочные коэффициенты.
Новизна технического решения заключается в том, что обрезки бревен, всегда имеющиеся на складах круглых лесоматериалов, принимаются за объекты исследования качества всей партии круглых лесоматериалов, например штабеля с одной лесосеки. Причем, если известна предыстория заготовки этой партии круглых лесоматериалов, то испытания чурок, считавшихся безвозвратными и бесполезными отходами древесины, позволяют создать экологическую картину срубленного леса. А по различным партиям круглых лесоматериалов и ультразвуковым испытаниям древесины, проведенных в разное время, образуется комплекс сведений об экологическом мониторинге лесных массивов. Если наладить постоянный режим предлагаемых испытаний на чурках, то появится возможность управления промышленными лесами, так как любое воздействие на деревья скажется на экспоненциальных закономерностях изменения скорости ультразвука вдоль испытываемых чурок.
Положительный эффект достигается с помощью переносных ультразвуковых приборов и использовании чурок (у которых только требуются ровные торцы), отпиленных от бревен. В итоге появляется простой способ сертификации древесины, находящейся как в штабелях круглых лесоматериалов у лесозаготовителей или у потребителей, так и на корню на отведенных в рубку участках леса в виде модельных деревьев.
В связи с этим предлагаемое техническое решение обладает новизной, положительным эффектом и простотой практической реализации (после накопления статистических сопоставительных данных появляется также возможность экологического мониторинга самими процессами лесозаготовок и лесного хозяйства в части выращивания целевых высококачественных лесов). В научно-технической и патентной литературе материалов, порочащих новизну предлагаемого технического решения, не обнаружено.
На фиг.1 показан образец в виде чурки длиной не менее 300 мм, вид в пространстве с верхним торцом, ориентированным по направлению роста дерева; на фиг.2 показана схема измерения ультразвуковых параметров древесины и расположения датчика и приемника относительно торцов чурки; на фиг.3 приведена примерная схема, показывающая графики изменения скорости ультразвука по радиусу ствола в двух направлениях: 1) от комля к вершине; 2) от вершины к комлю.
Способ ультразвукового испытания древесины круглых лесоматериалов содержит следующие действия.
Максимальные возможности применения способа будут при действиях, позволяющих как сертифицировать техническую древесину, так и получать исходные данные для экологического мониторинга территорией, на которой выполнялись процессы заготовки круглых лесоматериалов.
На чурке 1, отпиленного или уже готового с длиной L не менее 300 мм (от бревна или другого вида круглого лесоматериала), изготовляются верхний торец 2 и нижний торец 3 и наносятся на них радиальные линии геодезических направлений с метками 4 (как пример, показаны метки №1...6 от центра годичных колец до периферии чурки по следующим четырем геодезическим направлениям: С - север; В - восток; Ю - юг; З - запад). Такие же линии с метками наносятся и на нижнем торце чурки. По радиусам от центра годичных колец измеряются значения радиуса R до соответствующих меток.
При этом верхний торец направлен в сторону вершины бывшего дерева, а нижний торец ориентирован в сторону комля ствола дерева. Линии и метки на верхнем и нижнем торцах чурки выполняются симметричными относительно продольной оси 5 чурки, проходящей через центры годичных колец, расположенных на торцах чурки. Между метками обоих торцов образуются параллельные продольной оси чурки линии 6 измерений.
Относительно линий 6 между метками на торцах чурки прижимают датчик 7 и приемник 8 переносного ультразвукового прибора по соответствующим меткам на одной из линий геодезических направлений. Измерения по нескольким повторам (не менее 4-5) выполняют дважды, меняя взаимные положения датчика и приемника. В этих случаях время прохождения ультразвуком расстояния L измеряется в двух вертикальных (по отношению к стволу растущего дерева) направлениях по линии 6 измерений: 1) от комля к вершине; 2) от вершины к комлю.
Скорость ультразвука по этим двум направлениям движения минеральных веществ и продуктов ассимиляции листвы (хвои) кроны оказывается разной вдоль всего радиуса.
По значениям скорости ультразвука, изменяющихся в зависимости от радиуса ствола, и их разнице по направлениям движения питательных веществ, оценивается качество технической древесины и качество экологического режима роста и развития срубленного дерева.
Кроме меток 4, обязательно измеряют время прохождения ультразвука по центру годичных колец на обоих торцах чурки вдоль оси 5. Это позволяет принять два общих начала для всех геодезических направлений при направлении ультразвуковых волн от комля к вершине и при направлении от вершины к комлю (на фиг.2 показано расположение датчика 7 и приемника 8 для измерения по направлению движения продукции ассимиляции листвы (хвои) от вершины к комлю).
После проведения испытания в виде серии ультразвуковых измерений древесины на одной чурке (по всем меткам на четырех геодезических направлениях, причем на каждой линии 6 выполняют не менее 4-5 повторений ультразвуковых измерений) выявляют закономерности изменения скорости ультразвука по следующим формулам:
где ν - скорость ультразвука, м/с;
L - длина чурки, мм;
τ - время прохождения ультразвука, показываемое на экране переносного ультразвукового прибора, мс;
ν0 - начальное значение скорости ультразвука по отношению к продольной оси чурки, то есть между центрами годичных колец, расположенных на торцах чурки, м/с;
R - радиус расположения метки на торце чурки по одному из геодезических направлений, см;
а1 - активность экспоненциального роста скорости ультразвука от центра к периферии, то есть от сердцевины к камбиальному слою;
а2 - интенсивность экспоненциального роста скорости ультразвука по радиусу ствола дерева от сердцевины к заболонной древесине.
Затем испытание проводят на следующей чурке, у которого также известны геодезические направления, то есть применялся, например, при лесоустройстве метод модельных деревьев. А также на чурке должно быть помечено верхний и нижний торцы, показывающие направления движения соков в дереве. При этом должны быть, для экологического мониторинга, известны также и таксационные показатели опытных участков леса, с которых приняты модельные деревья, а с последних взяты кружки в виде чурок длиной не менее 300 мм.
Формула 
является устойчивым законом экспоненциального роста скорости ультразвука по радиусу ствола модельного дерева, параметры a1 и а2 которого изменяются в зависимости от качества древесины срубленного модельного дерева (измерения через несколько минут после рубки дерева) или заготовленных круглых лесоматериалов по результатам испытания после их какого-то срока хранения. А по значениям скорости ультразвука можно ориентировочно оценить и прочностные показатели древесины, так как между скоростью ультразвука и физико-механическими свойствами древесины наблюдается прямолинейная зависимость.
Этот указанный закон изменяет значения параметров ν0, a1 и а2 (экспоненциального закона) в зависимости от направления измерений. Поэтому для каждого из них можно записать закономерности в виде математических выражений (фиг.3):
1) направление от комля к вершине, то есть по движению минеральных веществ от корней к кроне по клеткам заболонной древесины
2) направление от вершины к комлю, то есть по движению продуктов ассимиляции от кроны к корням по живым клеткам коры
Для здоровой древесины наблюдается условие ν1>ν2.
Способ ультразвукового испытания древесины круглых лесоматериалов, например бревен, находящихся в штабеле на лесопромышленном складе, выполняется следующим образом.
Здесь, как правило, у чурок неизвестны геодезические направления и может быть неизвестна и ориентация их торцов.
На чурке 1 с длиной L не менее 300 мм, подобранном на складе или отпиленном от конца бревна из штабеля, изготовляются торцы 2 и 3 и наносятся произвольные радиальные линии с метками 4 (как пример, показаны метки №1...6 от центра годичных колец до периферии чурки. Такие же линии с метками симметрично относительно продольной оси 5 чурки наносятся и на нижнем торце чурки. По радиусам от центра годичных колец измеряются радиусы R до соответствующих меток.
Относительно линий 6 измерения между метками на торцах чурки прижимают датчик 7 и приемник 8 переносного ультразвукового прибора. Измерения по нескольким повторам (не менее 4-5) выполняют дважды, меняя взаимные положения датчика и приемника. В этих случаях время прохождения ультразвуком расстояния L измеряется в двух вертикальных направлениях: 1) от комля к вершине; 2) от вершины к комлю. Но при этом до и во время измерений эти направления неизвестны, и о них можно будет судить по результатам ультразвуковых измерений, так как для здоровой древесины наблюдается условие ν1>ν2.
По значениям скорости ультразвука, изменяющихся в зависимости от радиуса ствола, и их разнице по направлениям движения питательных веществ оценивается качество технической древесины и качество экологического режима роста и развития срубленного дерева.
Кроме меток 4, обязательно измеряют время прохождения ультразвука по центру годичных колец на обоих торцах чурки вдоль оси 5. Это позволяет принять два общих начала для любых радиальных направлений.
После проведения серии ультразвуковых измерений древесины на одной чурке (по всем меткам на всех радиальных направлениях, причем на каждой линии 6 выполняют не менее 4-5 повторений ультразвуковых измерений) выявляют закономерности изменения скорости ультразвука по следующим формулам:
где ν - скорость ультразвука, м/с;
L - длина чурки, мм;
τ - время прохождения ультразвука, показываемое на экране переносного ультразвукового прибора, мс;
ν0 - начальное значение скорости ультразвука по отношению к продольной оси чурки, то есть между центрами годичных колец, расположенных на торцах чурки, м/с;
R - радиус расположения метки на торце чурки по одному из геодезических направлений, см;
а1 - активность экспоненциального роста скорости ультразвука от центра к периферии, то есть от сердцевины к камбиальному слою;
a2 - интенсивность экспоненциального роста скорости ультразвука по радиусу ствола дерева от сердцевины к заболонной древесине.
Формула 
является устойчивым законом экспоненциального роста скорости ультразвука по радиусу чурки, параметры a1 и а2 которого изменяются в зависимости от качества древесины заготовленных круглых лесоматериалов.
По этому экспоненциальному закону сравниваются значения параметров ν0, а1 и а2, и по условию ν1>ν2 устанавливаются названия торцов чурки (верхняя или нижняя) и направления измерений:
1) направление от комля к вершине, то есть по движению минеральных веществ от корней к кроне по клеткам заболонной древесины
2) направление от вершины к комлю, то есть по движению продуктов ассимиляции от кроны к корням по живым клеткам коры
Количество чурок, необходимых для достоверного суждения о качестве лесоматериалов и о экологическом качестве территории, откуда получены штабели круглых лесоматериалов, устанавливается по известным в статистике методикам.
Предлагаемый способ упрощает процесс ультразвукового испытания древесины круглых лесоматериалов за счет использования чурок, которые нетрудно получать на складах бревен. Данные ультразвуковых испытаний позволяют также ориентировочно оценивать показатели и параметры механической прочности. Он позволяет в дальнейшем перейти на мониторинг процессов заготовки древесины, а затем и к мониторингу выращивания древесины на данной территории. В этом случае появляется возможность оперативной сертификации древесины на складах, у лесозаготовителей и у деревообработчиков, а также в лесхозах и лесничествах, причем на корню в ходе лесоустройства. Предлагаемый способ позволяет быстрее выявлять качество и экологическую эффективность процессов всего лесопользования через ультразвуковые свойства древесины круглых лесоматериалов, в перспективе обеспечить выход наиболее ценных сортиментов.
1. Способ ультразвукового испытания древесины круглых лесоматериалов, заключающийся в том, что из круглого лесоматериала отпиливают образец в виде чурки, на торцах которой симметрично наносят радиальные линии с метками, по этим линиям от центров годичных колец измеряют радиусы меток, устанавливают датчики ультразвукового прибора относительно симметричных меток на торцах чурки, причем один из датчиков является приемником, затем дважды выполняют измерение ультразвуковых параметров древесины между торцами чурки по всем меткам и между центрами годичных колец торцов чурки, меняя положение датчика с приемником, после чего выявляют закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль радиусов чурки.
2. Способ ультразвукового испытания древесины круглых лесоматериалов по п.1, отличающийся тем, что один торец чурки по отношению к продольной оси ствола дерева, от которого она отпилена, в направлении к вершине принимают за верхний торец, а другой торец в направлении к комлю - за нижний торец, причем расстояние между торцами чурки испытуемой древесины принимают не менее длины стандартного образца для ультразвуковых испытаний.
3. Способ ультразвукового испытания древесины круглых лесоматериалов по п.1 или 2, отличающийся тем, что радиальные линии с метками на торцах наносят по геодезическим направлениям, причем линии и метки выполняют симметричными относительно продольной оси чурки, проходящей между центрами годичных колец, расположенных на торцах чурки, для выполнения ультразвуковых измерений.
4. Способ ультразвукового испытания древесины круглых лесоматериалов по п.1, отличающийся тем, что измерение ультразвуковых параметров древесины по симметричным меткам и центрам торцов выполняют по направлениям от комля к вершине и от вершины к комлю модельного дерева, из которого заготовлен круглый лесоматериал и отпилена чурка, причем по разнице ультразвуковых параметров оценивают техническое качество древесины круглых лесоматериалов и экологическое качество территории, на которой были заготовлены круглые лесоматериалы.
5. Способ ультразвукового испытания древесины круглых лесоматериалов по п.1 или 2, отличающийся тем, что закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль радиусов чурки выявляют по скорости распространения ультразвука
ν=L/τ
или
ν - скорость распространения ультразвука, м/с;
L - длина чурки, мм;
τ - время прохождения ультразвука, показываемое на экране переносного ультразвукового прибора, мс;
ν0 - начальное значение скорости ультразвука по отношению к продольной оси чурки, то есть между центрами годичных колец, расположенных на торцах чурки, м/с;
R - радиус расположения метки на торце чурки по одному из геодезических направлений, см;
a1 - активность экспоненциального роста скорости ультразвука от центра к периферии, то есть от сердцевины к камбиальному слою;
а2 - интенсивность экспоненциального роста скорости ультразвука по радиусу ствола дерева от сердцевины к заболонной древесине.
