Влияние влажности на точность определения свойств древесины методом измерения сопротивления сверлению

УДК

620.179.52; 674.051; 681.2.083

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2016.2.103

Аннотация

Метод диагностики и контроля качества древесины, основанный на измерении сопротивления материала просверливанию, является одним из активно развивающихся направлений в области древесиноведения и экспертизы деревянных строительных конструкций. Способ определения свойств древесины сверлением основан на процессе резания. При этом влажность древесины оказывает значимое влияние как на сам процесс резания, так и на ее объемную плотность. Имеющиеся результаты исследований влияния влажности на сопротивление древесины просверливанию тонкими буровыми сверлами не позволяют с достаточной точностью описать истинный характер взаимодействия данных величин. Представленные в данной работе результаты получены с помощью мобильного устройства для диагностики состояния древесины и древесных материалов сверлением ResistYX (ООО «Новые лесные технологии»,
г. Йошкар-Ола), оснащенного стандартными тонкими буровыми сверлами. Экспериментально установлено значимое влияние влажности древесины на мощность сверления, процесс стружкообразования и точность определения свойств древесины. Это связано, в частности, с изменением механических характеристик древесины, а также упругим восстановлением поверхности резания. Повышение влажности древесины от абсолютно сухого состояния до уровня нормализованной влажности (10...12 %) характеризуется снижением мощности на сверление в среднем на 21 % для образцов из березы (Bétula Péndula) и на 15 % для образцов из сосны (Pínus sylvéstris) и дуба (Quércus Rόbur). Дальнейшее повышение влажности образцов древесины до 90...150 % сопровождается увеличением мощности сверления в среднем на 50 % для березы и на 25 % для сосны и дуба. Аппроксимация экспериментальных данных осуществлена с использованием непрерывной кусочно-гладкой функции на интервалах прямой и обратной зависимо­стей мощности сверления от влажности древесины (коэффициент детерминации для сосны – 0,69, березы – 0,85, дуба – 0,71).

Сведения об авторах

Е.С. Шарапов, канд. техн. наук, доц.

В.Ю. Чернов, канд. техн. наук, доц.

А.С. Торопов, д-р техн. наук, проф.

Е.В. Смирнова, асп.

Поволжский государственный технологический университет, пл. Ленина д. 3,

г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл, Россия, 424000;

e-mail: sharapoves@volgatech.net

Ключевые слова

плотность древесины, влажность древесины, неразрушающий контроль качества древесины, измерение сопротивления сверлению, резистограф, ResistYX

Литература

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Любченко В.И. Резание древесины и древесных материалов: учеб. пособие для вузов. М.: Лесн. пром-сть, 1986. 296 с.

2. Устройство для измерения сопротивления сверлению: пат. 95128 РФ МПК 6 G01 N3/40 / Шарапов Е.С., Чернов В.Ю., Бычкова Т.В. №2010106686/22; заявл. 24.02.2010; опубл.10.06.2010.

3. Устройство для измерения сопротивления сверлению: пат. 2448811 РФ МПК 6 В23В 25/06 / Шарапов Е.С., Чернов В.Ю., Чернов Ю.В. №2010145313/28; заявл. 08.11.2010; опубл. 27.04.2012.

4. Шарапов Е.С., Чернов В.Ю. Исследование процесса сверления древесины с использованием устройства сбора данных NI USB 6008 // Лесн. журн. 2012. № 6.
С. 96–100. (Изв. высш. учеб. заведений).

5. Шарапов Е.С., Чернов В.Ю. Обоснование конструкции устройства для исследования свойств древесины сверлением // Изв. СПбГЛТА. 2011. № 195. С. 134–142.

6. Шарапов Е.С. Торопов А.С., Чернов В.Ю. Результаты экспериментальных исследований свойств древесины круглых лесоматериалов по радиусу ствола // Вестн. МГУЛ – Лесн. вестн. 2012. № 2. С. 162–167.

7. Шарапов Е.С., Чернов В.Ю. Сравнительный анализ способов определения плотности древесины с помощью рентгеновского излучения и устройства для измерения сопротивления сверлению // Вестн. МГУЛ – Лесн. вестн. 2014. № 2. С. 89–95.

8. Eckstein D., Saß U. Bohrwiderstandsmessungen an Laubb iumen und ihre holzanatomische Interpretation // HolzRohWerkst. 1994. N52. Р. 279–286.

9. Gretchen L., Bohumil K. and Ron A. In situ assessment of structural timber // State of the Art Report of the RILEM Technical Committee 215-AST. 2010. Р. 51–57.

10. Isik F., Li B.L. Rapid assessment of wood density of live trees using the Resistograph for selection in tree improvement programs // Can. J. Forest Res. 2003. №33(12). Р. 2426–2435.

11. Johnstone D., Ades P., Moore G.M., Smith I.W. Using an IML-Resi drill to assess wood density in Eucalyptus globulus subsp pseudoglobulus. Australian Forestry. 2011. N74(3). Р. 190–196.

12. Lin C.J., Wang S.Y., Lin F.C., Chiu C.M. Effect of moisture content on the drill resistance value in Taiwania plantation wood // Wood Fiber Sci. 2003. N35(2). Р. 234–238.

13. Mattheck C. and Betghe K. VTA – Visual tree defect assessment // Proc. 9th Int. Mett. non-destructive testing. Madison. September, 1993.

14. Mattheck C., Bethge K., Albrecht W. How to read the results of resistograph // M. Arboricultural Journal. 1997. N21 (4). Р. 331–346.

15. Rinn F. Catalog of relative density profiles of trees.poles.and timber derived from resistograph microdrilling // Proceedings of the 9th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. September 22–24. 1993. Madison. WI. Published by Conferences & Institutes. Washington State University. 1994. Р. 61–67.

16. Rinn F. Resistographic visualization of tree-ring density variations // Tree Rings. Environment and Humanity. Radiocarbon. 1996. Р. 871–878.

17. Rinn F., Schweingruber F.H., Schar E. Resistograph and X-ray density charts of wood comparative evaluation of drill resistance profiles and X-ray density charts of different wood species // Holzforschung. 1996. N50 (4), Р. 303–311.

18. Wang X., Wiedenbeck J., Ross R.J., Forsman J.W., Erickson J.R., Pilon C., Brashaw B.K. Nondestructive evaluation of incipient decay in hardwood logs // Gen. Tech. Rep. FPL-GTR-162. Madison. WI: U.S. Department of Agriculture. Forest Service. Forest Products Laboratory. 2005. 11 p.

19. Winistorfer P.M., Xu W., Wimmer R. Application of a drill resistance technique for density profile measurement in wood composite panels // Forest Products Journal. 1995. N45(6). Р. 90–93.

Поступила 30.11.15

Ссылка на английскую версию:

The Impact of Moisture Content on the Accuracy of Wood Properties Evaluation by Drilling Resistance Measurement Method

UDC 620.179.52; 674.051; 681.2.083

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.2.103

The Impact of Moisture Content on the Accuracy of Wood Properties Evaluation

by Drilling Resistance Measurement Method

E.S. Sharapov, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor

V.Yu. Chernov, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor

A.S. Toropov, Doctor of Engineerig Sciences, Professor

E.V. Smirnova, Postgraduate Student

Volga State University of Technology, Lenin sq., 3, Yoshkar-Ola, Mari El Republic, 424000, Russian Federation; е-mail: sharapoves@volgatech.net

The method of diagnostics and control of wood on the basis of drilling resistance measuring is one of the rapidly developing areas in the field of wood science and examination of wooden building constructions. The method of wood properties evaluation by drilling is based on the cutting process. Thus wood moisture content has a significant impact both on the cutting process and density determination. The available results of the studies of the influence of moisture content on wood drilling resistance using boring drill bits do not allow to describe the true nature of the interaction of these variables with sufficient accuracy. The investigations were carried out by a mobile device for wood and wood materials properties evaluation by drilling "ResistYX" (New Forest Technology LLC, Yoshkar-Ola), equipped with the standard drill bits. The significant impact of wood moisture content on wood drilling power, the process of wood chip formation and the accuracy of wood properties evaluation was established experimentally. It is related to changes in the mechanical properties of wood, and with an elastic recovery of cutting surface. The increasing of wood moisture content from absolutely dry condition to a normalized moisture level (10...12 %) is characterized by the decreased drilling power in average of 21 % for birch (Bétula Péndula) and 15 % for the samples of pine (Pínus sylvéstris) and oak (Quércus Rόbur). A further increase of moisture content of wood samples up to 90...150 % is accompanied by the increasing of drilling power in average up to 50 % for birch and 25 % for pine and oak. The approximation of experimental data was carried out by using continuous piecewise smooth function on the intervals of direct and inverse relationship of drilling power with wood moisture content (coefficient of determination for pine ­– 0.69, for birch – 0.85, for oak – 0.71).

Keywords: wood density, wood moisture content, non-destructive wood properties control, drilling resistance measurement, resistograph, ResistYX.

REFERENCES

1. Lyubchenko V.I. Rezanie drevesiny i drevesnykh materialov [Wood and Wood Materials Cutting]. Moscow, 1986. 296 p.

2. Sharapov E.S., Chernov V.Yu., Bychkova T.V. Ustroystvo dlya izmereniya soprotivleniya sverleniyu [The Device for Drill Resistance Measuring]. Patent RF, no. 95128, 2010.

3. Sharapov E.S., Chernov V.Yu., Chernov Yu.V. Ustroystvo dlya izmereniya soprotivleniya sverleniyu [The Device for Drill Resistance Measuring]. Patent RF 2448811, 2010.

4. Sharapov E.S., Chernov V.Yu. Issledovanie protsessa sverleniya drevesiny s ispol'zovaniem ustroystva sbora dannykh NI USB 6008 [The Research of Wood Drilling Process Using the Data Acquisition Device NI USB 6008]. Lesnoy Zhurnal, 2012, no. 6, pp. 96–100.

5. Sharapov E.S., Chernov V.Yu. Obosnovanie konstruktsii ustroystva dlya is-sledovaniya svoystv drevesiny sverleniem [Design Rationale of the Drilling Device for Wood Properties Evaluation]. Izvestia SPbLTA, 2011, no. 195, pp. 134–142.

6. Sharapov E.S., Toropov A.S., Chernov V.Yu. Rezul'taty eksperimental'nykh issledovaniy svoystv drevesiny kruglykh lesomaterialov po radiusu stvola [Experimental Researches Results of Wood Properties Along the Round Logs Radius]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa — Lesnoy vestnik [Moscow State Forest University Bulletin – Lesnoy Vestnik], 2012, no. 2, pp. 162–167.

7. Sharapov E.S., Chernov V.Yu. Sravnitel'nyy analiz sposobov opredeleniya plotnosti drevesiny s pomoshch'yu rentgenovskogo izlucheniya i ustroystva dlya izmere-niya soprotivleniya sverleniyu [Comparative Analysis of Wood Density Techniques Determination with Using X-Ray Radiation and Device for Drilling Resistance Measurements]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa — Lesnoy vestnik [Moscow State Forest University Bulletin – Lesnoy Vestnik], 2014, no. 2, pp. 89–95.

8. Isik F., Li B.L. Rapid Assessment of Wood Density of Live Trees Using the Resistograph for Selection in Tree Improvement Programs. Can. J. Forest Res., 2003, no. 33(12), pp. 2426–2435.

9. Eckstein D., Saß U. Bohrwiderstandsmessungen an Laubb iumen und ihre holzanatomische Interpretation. HolzRohWerkst., 1994, no. 52, pp. 279–286.

10. Gretchen L., Bohumil K., Ron A. In Situ Assessment of Structural Timber. State of the Art Report of the RILEM Technical Committee 215-AST, 2010, pp. 51–57.

11. Johnstone D., Ades P., Moore G.M., Smith I.W. Using an IML-Resi Drill to Assess Wood Density in Eucalyptus Globulus Subsp Pseudoglobulus. Australian Forestry, 2011, no. 74(3), pp. 190–196.

12. Lin C.J., Wang S.Y., Lin F.C., Chiu C.M. Effect of Moisture Content on the Drill Resistance Value in Taiwania Plantation Wood. Wood Fiber Sci., 2003, no. 35(2),
pp. 234–238.

13. Mattheck C., Betghe K. VTA – Visual Tree Defect Assessment. Proc. 9th Int. Mett. Non-Destructive Testing. Madison, 1993.

14. Mattheck C., Bethge K., Albrecht W. How to Read the Results of Resistograph M. Arboricultural Journal, 1997, no. 21 (4), pp. 331–346.

15. Rinn F. Resistographic Visualization of Tree-Ring Density Variations. Tree Rings. Environment and Humanity. Radiocarbon, 1996, pp. 871–878.

16. Rinn F. Catalog of Relative Density Profiles of Trees Poles and Timber Derived from Resistograph Microdrilling. Proc. 9th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. September 22–24, 1993. Madison. WI. Published by Conferences & Institutes. Washington, 1994, pp. 61–67.

17. Rinn F., Schweingruber F.H., Schar E. Resistograph and X-ray Density Charts of Wood Comparative Evaluation of Drill Resistance Profiles and X-Ray Density Charts of Different Wood Species. Holzforschung, 1996, no. 50 (4), pp. 303–311.

18. Wang X., Wiedenbeck J., Ross R.J., Forsman J.W., Erickson J.R., Pilon C., Brashaw B.K. Nondestructive Evaluation of Incipient Decay in Hardwood Logs. Gen. Tech. Rep. FPL-GTR-162. Madison. WI: U.S. Department of Agriculture. Forest Service. Forest Products Laboratory, 2005. 11p.

19. Winistorfer P.M., Xu W., Wimmer R. Application of a Drill Resistance Technique for Density Profile Measurement in Wood Composite Panels. Forest Products Journal, 1995, no. 45(6), pp. 90–93.

Received on November 30, 2015