СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ Российский патент 2013 года по МПК B27B1/00 

Изобретение относится к лесопильной промышленности и может быть использовано в способах изготовления пиломатериалов путем раскроя бревен и брусьев на пиломатериалы.

Известен ряд способов изготовления пиломатериалов путем раскроя сырья на пиломатериалы, предусматривающие повышение качества продукции лесопиления и максимальное использование древесного сырья за счет рационального подбора номинальных размеров выпиливаемых материалов и их расположения в поставе (схеме раскроя) в зависимости от диаметра распиливаемого бревна и назначения пилопродукции (Ю.Р. Бокшанин. Обработка и применение древесины лиственницы, М.: Лесная промышленность, 1973, с.82-102; В.Ф. Ветшева. Раскрой крупномерных бревен на пиломатериалы, М.: Лесная промышленность, 1976).

Известные способы направлены на обеспечение валовых, объемных показателей и приводят к получению разнотолщинных досок из-за отсутствия корректировки припуска на усушку для отдельных выпиливаемых досок.

Известен способ изготовления пиломатериалов путем раскроя бревна на пиломатериалы, обеспечивающий повышение качества пиломатериалов путем снижения их разнотолщинности за счет назначения при распиловке припуска на усушку по толщине в зависимости от положения доски относительно оси бревна (RU №2038945, опубл. 1995 г. - прототип).

Недостатком известного технического решения является низкая эффективность способа изготовления пиломатериалов из-за того, что не учитываются возможные потери выпиливаемых пиломатериалов (досок) при их последующей сушке, результатом чего является низкий выход изготовленных пиломатериалов требуемого качества.

Техническая задача изобретения - повышение эффективности способа изготовления пиломатериалов за счет выполнения на стадии раскроя бревна, а также бруса на пиломатериалы операции прогнозирования возможных потерь качества выпиленных пиломатериалов при их последующей сушке с учетом упругой деформативности наружной пласти выпиливаемой доски в зависимости от расположения доски в бревне.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления пиломатериалов, включающий назначение схемы раскроя бревна и бруса, распиловку бревна на брус и пиломатериалы, а также распиловку бруса на пиломатериалы и операцию сушки выпиленных пиломатериалов, выполняют с учетом возможных потерь качества выпиленных пиломатериалов при их дальнейшей сушке в зависимости от упругой деформативности наружной пласти доски, при этом перед назначением схемы раскроя определяют упругую деформативность для каждой доски в зависимости от расстояния от оси бревна, а также - бруса до ее наружной пласти и кромок, и величину допускаемого критерия упругой деформативности доски, на основании чего затем прогнозируют качество выпиленной доски после сушки.

Определение упругой деформативности доски и прогнозирование качества доски после сушки может быть выполнено по диаграмме, содержащей показатель упругой деформативности в зависимости от расстояния от оси бревна, а также бруса до наружной пласти доски и ее кромок для различных ширин доски и полученной с использованием следующей математической модели (первая математическая модель):

$$\delta =\frac{1}{E_x}=\frac{{\alpha }^2{x}^4+\left(3-{\alpha }^2\right)x^2{b}_2^2+b_2^4}{E_t{\left(x^2+b_2^2\right)}^2}$$ , где

δ - показатель упругой деформативности древесины поперек волокон в направлении наружной пласти доски,

E_x - модуль упругости древесины поперек волокон в направлении наружной пласти доски, МПа;

x - расстояние от середины пласти доски до исследуемой точки, мм;

$${\alpha }^2=\frac{E_t}{E_r}$$ - показатель анизотропии древесины (для большинства пород α²≅0,5);

E_t, E_r - модуль упругости древесины поперек волокон в тангенциальном и радиальном направлениях, МПа;

b₂ - расстояние от оси бревна до наружной пласти доски, мм.

Прогнозирование качества доски после сушки может быть выполнено на основе допускаемого критерия величины упругой деформативности доски, заложенной в компьютерных программах и полученной с помощью следующей математической модели (вторая математическая модель):

$$\begin{array}{l}\frac{{\alpha }^2{\left(a_1+a_2\right)}^4+4\left(3-{\alpha }^2\right){\left(a_1+a_2\right)}^2{b}_2^2+16b_2^4}{{\left[{\left(a_1+a_2\right)}^2+4b_2^2\right]}^2}-\frac{{\alpha }^2{a}_1^4+\left(3-{\alpha }^2\right)a_1^2{b}_2^2+b_2^4}{2{\left(a_1^2+b_2^2\right)}^2}-\\ -\frac{{\alpha }^2{a}_2^4+\left(3-{\alpha }^2\right)a_2^2{b}_2^2+b_2^4}{2{\left(a_2^2+b_2^2\right)}^2}\ge 0\end{array}$$

где

$$\alpha =\frac{E_t}{E_r}$$ - показатель анизотропии древесины (для большинства пород α²≅0,5);

a ₁, a ₂ - координаты кромок доски, соответствующие расстояниям от оси;

b₂ - расстояние от оси бревна до наружной пласти доски, мм.

Изобретение имеет следующие отличия от прототипа:

- способ выполняют с учетом возможных потерь из-за снижения качества выпиленных пиломатериалов при их дальнейшей сушке в зависимости от упругой деформативности наружной пласти доски;

- перед назначением схемы раскроя определяют упругую деформативность для каждой доски в зависимости от расстояния от оси бревна, а также - бруса до ее наружной пласти и кромок, и величину допускаемого критерия упругой деформативности доски, на основании чего затем прогнозируют качество выпиленной доски после сушки;

- определение упругой деформативности доски и прогнозирование качества доски после сушки может быть выполнено по диаграмме, содержащей показатель упругой деформативности в зависимости от расстояния от оси бревна, а также бруса до наружной пласти доски и ее кромок для различных ширин доски и полученной с использованием следующей математической модели (первая математическая модель):

$$\delta =\frac{1}{E_x}=\frac{{\alpha }^2{x}^4+\left(3-{\alpha }^2\right)x^2{b}_2^2+b_2^4}{E_t{\left(x^2+b_2^2\right)}^2}$$ , где

δ - показатель упругой деформативности древесины поперек волокон в направлении наружной пласти доски;

E_x - модуль упругости древесины поперек волокон в направлении наружной пласти доски, МПа;

x - расстояние от середины пласти доски до исследуемой точки, мм;

$${\alpha }^2=\frac{E_t}{E_r}$$ - показатель анизотропии древесины (для большинства пород α²≅0,5);

E_t, E_r - модуль упругости древесины поперек волокон в тангенциальном и радиальном направлениях, МПа;

b₂ - расстояние от оси бревна до наружной пласти доски, мм;

- прогнозирование качества доски после сушки может быть выполнено на основе допускаемого критерия величины упругой деформативности доски, заложенной в компьютерных программах и полученной с помощью следующей математической модели (вторая математическая модель):

$$\begin{array}{l}\frac{{\alpha }^2{\left(a_1+a_2\right)}^4+4\left(3-{\alpha }^2\right){\left(a_1+a_2\right)}^2{b}_2^2+16b_2^4}{{\left[{\left(a_1+a_2\right)}^2+4b_2^2\right]}^2}-\frac{{\alpha }^2{a}_1^4+\left(3-{\alpha }^2\right)a_1^2{b}_2^2+b_2^4}{2{\left(a_1^2+b_2^2\right)}^2}-\\ -\frac{{\alpha }^2{a}_2^4+\left(3-{\alpha }^2\right)a_2^2{b}_2^2+b_2^4}{2{\left(a_2^2+b_2^2\right)}^2}\ge 0\end{array}$$

где

$$\alpha =\frac{E_t}{E_r}$$ - показатель анизотропии древесины (для большинства пород α² ≅0,5);

a ₁, a ₂ - координаты кромок доски, соответствующие расстояниям от оси;

b₂ - расстояние от оси бревна до наружной пласти доски, мм.

Это позволит повысить эффективность способа изготовления пиломатериалов за счет выполнения на стадии раскроя бревна, а также бруса на пиломатериалы операции прогнозирования возможных потерь качества выпиленных пиломатериалов при их последующей сушке с учетом упругой деформативности наружной пласти выпиливаемой доски в зависимости от расположения доски в бревне.

В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также технических решений, содержащих указанные признаки.

Изобретение применимо и будет использоваться в отрасли в 2012 г.

На фиг.1 изображен один из примеров расположения доски в бревне.

На фиг.2 изображена схема, показывающая изменение упругой деформативности по ширине досок, имеющих разное расположение в бревне.

На фиг.3 изображена схема, поясняющая расчет упругой деформативности по ширине пласти доски.

На фиг.4 изображена диаграмма для определения упругой деформативности наружной пласти доски в зависимости от расположения доски в бревне, полученная с использованием первой математической модели.

На фиг.5 показан фрагмент диаграммы для проверки досок по критерию деформативности.

Разработка заявленного технического решения проведена путем исследования упругой деформативности древесины поперек волокон по направлению ширины пласти доски. За показатель упругой деформативности принята величина обратная модулю упругости, определяющему напряженно-деформированное состояние доски при сушке.

$$\delta =\frac{1}{E_x}=\frac{{\alpha }^2{x}^4+\left(3-{\alpha }^2\right)x^2{b}_2^2+b_2^4}{E_t{\left(x^2+b_2^2\right)}^2},\left(1\right)$$

δ - показатель упругой деформативности древесины поперек волокон в направлении наружной пласти доски;

E_x - модуль упругости древесины поперек волокон в направлении наружной пласти доски, МПа;

x - расстояние от середины пласти доски до исследуемой точки, мм;

$${\alpha }^2=\frac{E_t}{E_r}$$ - показатель анизотропии древесины (для большинства пород α²≅0,5);

E_t, E_r - модуль упругости древесины поперек волокон в тангенциальном и радиальном направлениях, МПа;

b₂ - расстояние от оси бревна до наружной пласти доски, мм.

При проведении исследований рассматривалось расположение выпиливаемой доски относительно оси бревна в системе координат (фиг.1), где:

a ₁, a ₂ - координаты кромок доски, соответствующие, расстояниям от оси бревна до левой и правой кромок доски соответственно, мм;

b₁ - координата внутренней пласти доски, соответствующая расстоянию от оси бревна до внутренней пласти доски, мм;

b₂ - координата наружной пласти доски, соответствующая расстоянию от оси бревна до наружной пласти доски, мм;

точка 0 (начало координат) - геометрический центр сечения бревна, через который проходит продольная ось бревна, контур сечения которого показан в виде окружности с центром в точке 0.

Исследования показали, что увеличение упругой деформативности древесины посередине наружной пласти доски приведет к уменьшению растягивающих напряжений и исключит появление пластевых трещин и образование значительных остаточных напряжений при сушке. Учитывая, что древесина является анизотропным телом и упругая дефоративность изменяется по сечению бревна (1), при составлении схемы раскроя бревна можно выбрать для любой доски такое расположение на схеме, чтобы в средней зоне ее наружной пласти упругая деформативность была наибольшей (фиг.2).

В этом случае анизотропия древесины позитивно влияет на качество сушки досок, а график деформативности (фиг.3) должен быть обращен выпуклостью вверх, тогда BD≥0. Схема, представленная на фиг.3, поясняет расчет упругой деформативности по ширине пласти доски.

Отрезок BD (фиг.3) находят из следующего:

$$BD=B{B}_1-B_{1}D.\left(2\right)$$

Значение упругой деформативности посередине пласти доски при $$x=\frac{a_1+a_2}{2}$$ вычисляют по формуле (1), где

x - расстояние от оси бревна до середины пласти доски, мм;

a ₁, a ₂ - координаты кромок доски, соответствующие расстояниям от оси бревна до левой и правой кромок доски соответственно, мм.

Отрезок B₁D есть среднее значение упругой деформативности на кромках доски, которое также вычисляют по формуле (1), подставляя значения x=a ₁, x=a ₂.

Прогнозирование качества выпиленной доски после сушки может быть выполнено на основе величины допускаемого критерия упругой деформативности доски, полученной с помощью заложенной в компьютерных программах следующей математической модели.

Математическая модель для прогнозирования качества доски после сушки с учетом снижения потерь при сушке из-за пластевых трещин и остаточных напряжений в результате использования формул (1) и (2) и преобразований имеет вид:

$$\begin{array}{l}\frac{{\alpha }^2{\left(a_1+a_2\right)}^4+4\left(3-{\alpha }^2\right){\left(a_1+a_2\right)}^2{b}_2^2+16b_2^4}{{\left[{\left(a_1+a_2\right)}^2+4b_2^2\right]}^2}-\frac{{\alpha }^2{a}_1^4+\left(3-{\alpha }^2\right)a_1^2{b}_2^2+b_2^4}{2{\left(a_1^2+b_2^2\right)}^2}-\left(3\right)\\ -\frac{{\alpha }^2{a}_2^4+\left(3-{\alpha }^2\right)a_2^2{b}_2^2+b_2^4}{2{\left(a_2^2+b_2^2\right)}^2}\ge 0\end{array}$$

где

$$\alpha =\frac{E_t}{E_r}$$ - показатель анизотропии древесины (для большинства пород α²≅0,5);

a ₁, a ₂ - координаты кромок доски, соответствующие расстояниям от оси;

b₂ - расстояние от оси бревна до наружной пласти доски, мм.

В формуле (3) напрямую постоянные упругости не содержатся, но присутствует их относительная величина $${\alpha }^2=\frac{E_t}{E_r}$$ . Учитывая, что это отношение для большинства пород древесины примерно одинаковое и составляет величину около 0,5, можно с некоторым допущением считать, что формула (3) вполне приемлема в качестве математической модели, заложенной в компьютерных программах.

В результате исследований была также получена диаграмма для определения упругой деформативности наружной пласти доски в зависимости от расположения доски в бревне (фиг.4). Диаграмма содержит показатель упругой деформативности в зависимости от расстояния от оси бревна, а также бруса до наружной пласти доски и ее кромок для различных ширин досок.

Способ осуществляли следующим образом.

Пример 1

Перед назначением схемы раскроя бревна определяли упругую деформативность для каждой доски в зависимости от расстояния от оси бревна, а также - бруса до ее наружной пласти и кромок, на основании чего прогнозировали качество предполагаемой выпиливаемой доски после ее сушки. Прогнозирование качества доски после сушки может быть выполнено на основе величины допускаемого критерия упругой деформативности доски, полученной с помощью второй математической модели (3), заложенной в компьютерных программах.

Например, для доски, имеющей на предполагаемой схеме раскроя бревна следующие координаты кромок и пластей:

a ₁=0, a ₂=150 мм, b₁=130 мм, b₂=170 мм.

При a ₁=0 имеем из формулы (3):

$$\frac{a_2^4+20b_2^2{a}_2^2+32b_2^4}{{\left(a_2^2+4b_2^2\right)}^2}-\frac{a_2^4+5b_2^2{a}_2^2+2b_2^4}{2{\left(a_2^2+b_2^2\right)}^2}\ge 1\left(4\right)$$

$$\frac{{150}^4+20*{170}^2*{150}^2+32*{170}^4}{{\left({150}^2+4*{170}^2\right)}^2}-\frac{{150}^4+5*{150}^2*{170}^2+2*{170}^4}{2{\left({150}^2+{170}^2\right)}^2}=\mathrm{1,0826}\left(5\right)$$

Получено значение 1,0826>1, следовательно, снижения качества доски из-за коробления и растрескивания при сушке не произойдет.

После получения прогноза качества всех предполагаемых к выпиливанию досок после их сушки назначают соответствующую схему раскроя и осуществляют распиловку бревна на брус и пиломатериалы, а также распиловку бруса на пиломатериалы и операцию сушки выпиленных пиломатериалов.

Пример 2

Перед назначением схемы раскроя бревна определяли упругую деформативность для каждой доски в зависимости от расстояния от оси бревна, а также - бруса до ее наружной пласти и кромок, на основании чего прогнозировали качество предполагаемой выпиливаемой доски после ее сушки. Прогнозирование качества доски после сушки может быть выполнено на основе величины допускаемого критерия упругой деформативности доски, полученной с помощью второй математической модели (3), заложенной в компьютерных программах.

Например, для доски, имеющей на предполагаемой схеме раскроя бревна следующие координаты кромок и пластей:

a ₁=0, a ₂=150 мм, b₁=0 мм, b₂=40 мм

$$\frac{{150}^4+20*{40}^2*{150}^2+32*{40}^4}{{\left({150}^2+4*{40}^2\right)}^2}-\frac{{150}^4+5*{150}^2*{40}^2+2*{40}^4}{2{\left({150}^2+{40}^2\right)}^2}=\mathrm{0,971}\left(6\right)$$

Поскольку 0,971>1, доска по критерию деформативности не проходит. При сушке возможно снижение качества из-за остаточных напряжений. Пластевой трещины не появится, поскольку прочность древесины при растяжении в радиальном направлении выше, чем в тангенциальном.

После получения прогноза качества всех предполагаемых к выпиливанию досок после их сушки назначают соответствующую схему раскроя и осуществляют распиловку бревна на брус и пиломатериалы, а также распиловку бруса на пиломатериалы и операцию сушки выпиленных пиломатериалов.

Пример 3

Перед назначением схемы раскроя бревна определяли упругую деформативность для каждой доски в зависимости от расстояния от оси бревна, а также - бруса до ее наружной пласти и кромок, на основании чего прогнозировали качество предполагаемой выпиливаемой доски после ее сушки. Определение упругой деформативности доски и прогнозирование качества доски после сушки выполняли по диаграмме, содержащей показатель упругой деформативности в зависимости от расстояния от оси бревна, а также бруса до наружной пласти доски и ее кромок для различных ширин доски, и полученной с использованием первой математической модели (1).

Например, для доски, имеющей на предполагаемой схеме раскроя бревна следующие координаты кромок и пластей:

доска толщиной 30 мм, шириной 140 мм, с расстоянием от оси бревна до наружной пласти b₂=80 мм, имеет координаты кромок: a ₁=20 мм, a ₂=160 мм.

Располагали на диаграмме деформативности (на фиг.5 представлен фрагмент диаграммы 2) шаблон, соответствующий сечению доски (шаблоны изготавливали в масштабе для любых сечений досок), и проецировали кромки доски на кривую (точки 1 и 2), построенную для координаты наружной пласти b₂=80 мм. Соединяем точки 1 и 2 прямой линией. Диаграмма расположена над линией 1-2, что свидетельствует о хорошем качестве сушки этой доски. При соблюдении режима сушки будут отсутствовать пластевые трещины, в пределах допустимых значений будут остаточные напряжения.

Для радиальной доски (см. фиг.5) толщиной 20 мм, шириной 120 мм, при b₁=0, b₂=20 мм, a ₁=80 мм, a ₂=200 мм прогнозируются повышенные остаточные напряжения. Пластевые трещины не появятся из-за достаточной прочности древесины на растяжение в радиальной плоскости.

После получения прогноза качества всех предполагаемых к выпиливанию досок после их сушки назначают соответствующую схему раскроя и осуществляют распиловку бревна на брус и пиломатериалы, а также распиловку бруса на пиломатериалы и операцию сушки выпиленных пиломатериалов.

Предлагаемый способ изготовления пиломатериалов путем распиловки бревен на доски, а также брусьев на доски позволяет проводить экспресс-анализ качества сушки на стадии составления схем распиловки с целью сокращения потерь сухих пиломатериалов из-за дефектов сушки. Прогнозирование качества сушки пиломатериалов может быть выполнено с помощью диаграммы (фиг.4), полученной с использованием первой математической модели (1) либо с помощью компьютерной программы, основой для разработки которой является вторая математическая модель (3).

Таким образом, использование изобретения позволит повысить эффективность способа изготовления пиломатериалов за счет выполнения на стадии раскроя бревна, а также бруса на пиломатериалы операции прогнозирования возможных потерь качества выпиленных пиломатериалов при их последующей сушке с учетом упругой деформативности наружной пласти выпиливаемой доски в зависимости от расположения доски в бревне.

Изобретение относится к лесопильной промышленности и может быть использовано в способах изготовления пиломатериалов путем раскроя бревен и брусьев на пиломатериалы. Способ выполняют с учетом возможных потерь качества выпиленных пиломатериалов при их дальнейшей сушке в зависимости от упругой деформативности наружной пласти доски. Перед назначением схемы раскроя определяют упругую деформативность для каждой доски в зависимости от расстояния от оси бревна, а также - бруса до ее наружной пласти и кромок, и величину допускаемого критерия упругой деформативности доски, на основании чего затем прогнозируют качество выпиленной доски после сушки. Прогнозирование качества сушки пиломатериалов может быть выполнено с помощью диаграммы, полученной с использованием первой математической модели либо с помощью компьютерной программы, основой для разработки которой является вторая математическая модель. Сокращаются потери сухих пиломатериалов из-за дефектов сушки. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ изготовления пиломатериалов, включающий назначение схемы раскроя бревна, а также бруса, распиловку бревна на брус и пиломатериалы, а также распиловку бруса на пиломатериалы и операцию сушки выпиленных пиломатериалов, отличающийся тем, что способ выполняют с учетом возможных потерь качества выпиленных пиломатериалов при их дальнейшей сушке в зависимости от упругой деформативности наружной пласти доски, при этом перед назначением схемы раскроя определяют упругую деформативность для каждой доски в зависимости от расстояния от оси бревна, а также бруса до ее наружной пласти и кромок, и величину допускаемого критерия упругой деформативности доски, на основании чего затем прогнозируют качество выпиленной доски после сушки.

2. Способ изготовления пиломатериалов по п.1, отличающийся тем, что определение упругой деформативности доски и прогнозирование качества доски после сушки может быть выполнено по диаграмме, содержащей показатель упругой деформативности в зависимости от расстояния от оси бревна, а также бруса до наружной пласти доски и ее кромок для различных ширин доски, и полученной с использованием следующей математической модели (первая математическая модель):
$$\delta =\frac{1}{E_x}=\frac{{\alpha }^2{x}^4+\left(3-{\alpha }^2\right)x^2{b}_2^2+b_2^4}{E_t{\left(x^2+b_2^2\right)}^2},$$
где δ - показатель упругой деформативности древесины поперек волокон в направлении наружной пласти доски;
E_x - модуль упругости древесины поперек волокон в направлении наружной пласти доски, МПа;
x - расстояние от середины пласти доски до исследуемой точки, мм;
$${\alpha }^2=\frac{E_t}{E_r}$$ - показатель анизотропии древесины (для большинства пород α²≅0,5);
E_t, E_r - модуль упругости древесины поперек волокон в тангенциальном и радиальном направлениях, МПа;
b₂ - расстояние от оси бревна до наружной пласти доски, мм.

3. Способ изготовления пиломатериалов по п.1, отличающийся тем, что прогнозирование качества доски после сушки может быть выполнено на основе величины допускаемого критерия упругой деформативности доски, заложенной в компьютерных программах и полученной с помощью следующей математической модели (вторая математическая модель):
$$\begin{array}{l}\frac{{\alpha }^2{\left(a_1+a_2\right)}^4+4\left(3-{\alpha }^2\right){\left(a_1+a_2\right)}^2{b}_2^2+16b_2^4}{{\left[{\left(a_1+a_2\right)}^2+4b_2^2\right]}^2}-\frac{{\alpha }^2{a}_1^4+\left(3-{\alpha }^2\right)a_1^2{b}_2^2+b_2^4}{2{\left(a_1^2+b_2^2\right)}^2}-\\ -\frac{{\alpha }^2{a}_2^4+\left(3-{\alpha }^2\right)a_2^2{b}_2^2+b_2^4}{2{\left(a_2^2+b_2^2\right)}^2}\ge 0\end{array}$$
где
$$\alpha =\frac{E_t}{E_r}$$ - показатель анизотпропии древесины (для большинства пород α²≅0,5);
a₁, а₂ - координаты кромок доски, соответствующие расстояниям от оси;
b₂ - расстояние от оси бревна до наружной пласти доски, мм.