Способ определения физико-механических свойств древесины растущих деревьев Российский патент 2024 года по МПК G01N33/46 G01N29/00 

Изобретение относится к лесному хозяйству и лесной промышленности и может быть использовано для оперативного неразрушающего определения физико-механических свойств древесины растущих деревьев, оценки изменения свойств по радиусу и высоте ствола, а также выбора рациональных технологий переработки древесины.

Известен способ сравнительного испытания древесины, при использовании которого образцы изымаются (изготавливаются) из пиломатериалов, лесоматериалов или растущих деревьев в виде кернов. Дополнительно из объекта исследования изготавливаются образцы стандартных размеров, например, 20×20×30 мм³. Суть способа заключается в определении переходного коэффициента между скоростью прохождения ультразвука по керну и прочностными характеристиками, полученными в лабораторных условиях на стандартных образцах [1].

Недостатком данного способа является использование стандартных образцов для лабораторных исследований, что выводит данный метод из группы неразрушающих методов оценки физико-механических свойств древесины растущих деревьев. При этом использование данного способа не позволяет оценить изменение физико-механических свойств древесины в пределах годичного слоя.

Известен также способ и устройства для косвенного определения физико-механических свойств древесины, основанные на методе измерения сопротивления сверлению [2]. Способ базируется на использовании мобильной установки для просверливания древесины тонкими буровыми сверлами. При проведении измерений фиксируются энергосиловые и/или скоростные параметры процесса сверления, которые связаны с физико-механическими свойствами древесины. Способ позволяет определять вариацию свойств древесины в пределах годичного слоя и широко используется для оценки свойств и внутреннего состояния древесины в растущих деревьях. К недостаткам данного способа можно отнести снижение точности прогнозирования физико-механических свойств древесины при увеличении глубины сверления ввиду возрастания трения хвостовика тонкого бурового сверла о стружку и стенки отверстия, что часто фиксируется при оценке свойств древесины растущих деревьев. Существующий метод корректировки профиля сопротивления древесины сверлению, представленный в работе [3], позволяющий частично исключить компоненту трения тонкого бурового сверла из общего профиля сопротивления древесины сверлению, разработан для образцов цельной древесины, без учета специфики определения свойств древесины растущих деревьев. Преобразование профиля сопротивления сверлению в профиль физико-механических свойств древесины требует использования моделей взаимосвязи данных параметров, которые могут быть получены на базе просверливания и последующих физико-механических испытаний стандартных образцов древесины [4], что является дополнительным недостатком, также выводящим данный способ из перечня неразрушающих методов оценки свойств древесины.

Техническим результатом является повышение точности и оперативности определения физико-механических свойств древесины по радиусу и высоте ствола растущего дерева, а также в пределах годичного слоя на основе метода измерения сопротивления сверлению с изъятием керна из растущего дерева.

Технический результат достигается тем, что профиль сопротивления древесины сверлению корректируется путем исключения значений, соответствующих трению тонкого бурового сверла о стружку и стенки отверстия, при этом на участках просверливания коры и флоэмы дерева (луба), а также начальном участке сверления ксилемы (древесины), равном 10 миллиметрам значение трения хвостовика сверла приравниваются нулю. Осуществляется взятие цилиндрического керна из растущего дерева приростным буравом в радиальном направлении на расстоянии 5 и более миллиметров от места внедрения или выхода тонкого бурового сверла из ствола дерева. После соответствующей подготовки керн делится бесстружечно на части. У каждой части керна определяются физико-механические свойства: влажность, плотность, акустические характеристики и механические свойства. Значения физико-механических свойств сопоставляются со средними значениями участков откорректированного профиля сопротивления сверлению, соответствующих прохождению сверлом годичных слоев ксилемы (и/или их участков), расположенных на частях керна. Регрессионные модели взаимосвязи физико-механических свойств древесины частей керна со значениями сопротивления древесины сверлению определяются для одного или нескольких модельных деревьев и могут быть использованы для преобразования данных, полученных на других деревьях ценопопуляции.

Определение физико-механических свойств древесины в растущем дереве включает выбор модельного дерева (деревьев), измерение высоты дерева, диаметра ствола, акустических характеристик древесины, например, скорости прохождения ультразвука по диаметру и высоте ствола и измерение профиля сопротивления древесины сверлению с последующим изъятием цилиндрического керна приростным буравом в радиальном направлении на расстоянии 5 и более миллиметров от места внедрения или выхода тонкого бурового сверла из ствола дерева. Профиль сопротивления древесины сверлению, как и предшествующие ему измерения высоты, диаметра и акустических характеристик древесины, для растущего дерева может быть получен неограниченное число раз на любой высоте относительно шейки дерева в радиальном и тангенциальном направлениях относительно направления волокон и в любом направлении относительно сторон света.

Профиль сопротивления сверлению, являющийся зависимостью числовых энергосиловых и/или скоростных данных процесса сверления от глубины проникновения тонкого бурового сверла, для растущих деревьев может быть разделен на четыре основных участка: начальный участок (№1), являющийся участком просверливания коры и прилегающей к ней флоэмы, основной участок (№2), являющийся участком просверливания ксилемы, последующий участок (№3), который также является участком просверливания коры и ксилемы, но с противоположной стороны дерева и участок (№4) максимального трения хвостовика тонкого бурового сверла при выходе его режущей части из дерева (фиг. 1). При просверливании коры и флоэмы на первом и третьем участках согласно профилю сопротивления сверлению, представленном на фиг. 1, трение хвостовика тонкого бурового сверла может быть приравнено нулю. Основой для принятия данной гипотезы является низкая плотность и прочность, а также высокая пористость данных тканей растущего дерева по сравнению с ксилемой. Конструкция режущей части тонкого бурового сверла, имеющая больший диаметр по сравнению с диаметром его хвостовой части, позволяет отнести усилия трения по режущей части к общим усилиям резания при сверлении. Трение хвостовика тонкого бурового сверла о стружку и стенки отверстия, с учетом средней длины режущей части сверла в 10 миллиметров, предлагается учитывать с глубины сверления 10 миллиметров от точки начала просверливания ксилемы (точка начала сверления участка 2 на фиг. 1).

С учетом вышесказанного, предлагается новая, уточненная методика корректировки профиля сопротивления древесины сверлению для растущих деревьев (фиг. 1). На графике профиля сопротивления сверлению, где ось Y - сопротивление сверлению, ось X - глубина сверления, отмечаются точки начала и завершения сверления ксилемы дерева (участок 2). Далее профиль корректируется путем исключения данных, соответствующих трению хвостовика тонкого бурового сверла, величина которого определяется по графику линейного уравнения, проходящего через точки с координатами: X₁ - начало сверления ксилемы плюс 10 миллиметров, Y₁=0 и X₂ - окончание сверления ксилемы, Y₂ - величина трения хвостовика сверла при его выходе из ствола дерева (максимальное трение хвостовика). Трение хвостовика сверла до точки (X₁, Y₁) приравнивается нулю, а после точки (X₂, Y₂) величине трения хвостовика сверла при его выходе из ствола дерева. Пример корректировки профиля изменения сопротивления сверлению представлен на фиг. 1. В случае отсутствия трения хвостовика сверла при выходе из ствола дерева корректировку профиля сопротивления сверлению производить не требуется.

Далее от изъятого керна (кернов) в лабораторных условиях отделяется кора и флоэма, керн делится бесстружечно на части. Каждая часть керна может состоять из одного или нескольких годичных слоев и/или участков годичных слоев. Для каждой части керна определяются физико-механические свойства, такие как влажность, плотность, акустические свойства, например, скорость прохождения ультразвука, и прочность, например, на сжатие или скалывание вдоль волокон. Значения физико-механических свойств частей керна сопоставляются со средними значениями участков откорректированного профиля сопротивления сверлению, соответствующих просверливанию тех же годичных слоев (или их частей), из которых состоит часть керна. По значениям средних величин сопротивления древесины сверлению и физико-механических свойств кернов и/или их частей определяются регрессионные модели взаимосвязи данных параметров, при использовании которых, получаемые профили сопротивления древесины сверлению могут быть преобразованы в профили изменения физико-механических свойств. Регрессионные модели могут быть получены для одного или нескольких модельных деревьев и в последующем использованы для преобразования профилей сопротивления сверлению в профили изменения физико-механических свойств для других деревьев ценопопуляции.

Данный способ позволяет с высокой точностью, без значимого воздействия на жизнеспособность деревьев, определить изменение физико-механических свойств древесины по радиусу и высоте ствола, а также в пределах годичных слоев древесины растущего дерева.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-16-00220, https://rscf.ru/project/23-16-00220/.

Используемые аналоги и прототипы:

1. Способ сравнительного испытания древесины: пат. 2522862 Рос. Федерация: G01N 33/46 / Колесникова А.А., Федорова А.А., Мазуркин П.М. - №2012133089/15; заявл. 01.08.2012; опубл. 20.07.2014.

2. Gao S., Wang X., Wiemann M.C., Brashaw B.K., Ross R.J., Wang L. (2017) A critical analysis of methods for rapid and nondestructive determination of wood density in standing trees. Annals of Forest Science, DOI:doi.org/10.1007/s13595-017-0623-4.

3. Sharapov E., Wang X., Smirnova E. (2017) Drill bit friction and its effect on resistance drilling measurements in logs. In: Proceedings of the 20th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium, 12-15 September 2017, USDA Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, WI, pp. 405-415,

4. Sharapov E., Brischke C., Militz H., Smirnova E. (2019) Prediction of modulus of elasticity in static bending and density of wood at different moisture contents and feed rates by drilling resistance measurements. European Journal of Wood and Wood Products 77(5):833-842, DOI:doi.org/10.1007/s00107-019-01439-2.

Фиг.1 График изменения сопротивления древесины сверлению и трения хвостовика тонкого бурового сверла по диаметру дерева с участками просверливания: 1 - кора и флоэма (луб) при вхождении сверла в дерево, 2 - просверливание ксилемы (древесины), 3 - флоэма и кора при выходе сверла из дерева, 4 - максимальное трение хвостовика тонкого бурового сверла о стружку и стенки отверстии при выходе сверла из дерева. Определение участков профиля сопротивления древесины сверлению (средних значений участков профиля сопротивления) с частями керна. Точка (X₁₊₁₀, Y₁=0) - начало трения и точка (X₂, Y₂) - окончание трения хвостовка тонкого бурового сверла о стружку и стенки отверстия.

Изобретение относится к лесному хозяйству и лесной промышленности и может быть использовано для оперативного неразрушающего определения физико-механических свойств древесины растущих деревьев, оценки изменения свойств по радиусу и высоте ствола, а также выбора рациональных технологий переработки древесины. Способ включает измерение высоты дерева, диаметра ствола, акустических характеристик древесины, например скорости прохождения ультразвука по диаметру и высоте ствола, и измерение профиля сопротивления древесины сверлению. На графике изменения сопротивления древесины сверлению от глубины сверления фиксируются точки начала и завершения сверления ксилемы. Профиль сопротивления древесины сверлению корректируется путем исключения данных, соответствующих трению хвостовика тонкого бурового сверла, величина которых определяется по линейному уравнению, проходящему через точки с координатами: X₁ – начало сверления ксилемы плюс 10 миллиметров, Y₁=0 и X₂ – окончание сверления ксилемы, Y₂ – величина трения хвостовика сверла при его выходе из ствола дерева. Трение хвостовка сверла до точки X₁, Y₁ приравнивается нулю, а после точки X₂, Y₂ величине трения хвостовика сверла при его выходе из ствола дерева. Изобретение обеспечивает повышение точности и оперативности определения физико-механических свойств древесины по радиусу и высоте ствола растущего дерева. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения физико-механических свойств древесины растущих деревьев, включающий измерение высоты дерева, диаметра ствола, акустических характеристик древесины, например скорости прохождения ультразвука по диаметру и высоте ствола, и измерение профиля сопротивления древесины сверлению, отличающийся тем, что на графике изменения сопротивления древесины сверлению от глубины сверления фиксируются точки начала и завершения сверления ксилемы, профиль сопротивления древесины сверлению корректируется путем исключения данных, соответствующих трению хвостовика тонкого бурового сверла, величина которых определяется по линейному уравнению, проходящему через точки с координатами: X₁ – начало сверления ксилемы плюс 10 миллиметров, Y₁=0 и X₂ – окончание сверления ксилемы, Y₂ – величина трения хвостовика сверла при его выходе из ствола дерева, при этом трение хвостовка сверла до точки X₁, Y₁ приравнивается нулю, а после точки X₂, Y₂ величине трения хвостовика сверла при его выходе из ствола дерева.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что взятие керна производится на расстоянии 5 и более миллиметров от места внедрения или выхода тонкого бурового сверла из ствола дерева, от керна отделяются кора и флоэма, керн делится бесстружечно на части с последующим определением влажности, плотности, акустических характеристик и механических свойств частей керна, а модели взаимосвязи данных физико-механических свойств частей керна с сопротивлением сверлению определяются путем сопоставления средних значений участков профиля сопротивления сверлению, соответствующих прохождению сверлом годичных слоев и/или их частей, расположенных на частях керна, с последующим определением регрессионных моделей взаимосвязи физико-механических свойств частей керна с сопротивлением древесины сверлению.

3. Способ по п.1, отличающий тем, что модель взаимосвязи сопротивления древесины сверлению тонкими буровыми сверлами с влажностью, плотностью, акустическими характеристиками и механическими свойствами древесины керна определяется для одного или нескольких модельных деревьев и в последующем используется для преобразования данных, полученных на других деревьях ценопопуляции.