Для повышения эффективности использования пиловочного сырья стремятся получить не обезличенную пилопродукцию, а пилопродукцию целевого назначения, пользующуюся наибольшим спросом у потребителей. В себестоимости производства пиломатериалов стоимость сырья составляет около 70%.
Из пифагорической зоны пиловочного бревна получают, как правило, обрезные пиломатериалы длиной, равной длине бревна, объемный выход которых составляет 30−40%. Рациональному раскрою сегментных частей поперечного сечения пиловочных бревен не уделяется достаточного внимания, особенности их формы и размеры ограничивают возможность получения пиломатериалов требуемых размеров.
В настоящее время наблюдается тенденция разукрупнения лесопильного производства и перемещения его к лесосырьевой базе. Около 70% лесопильных: цйхов работают в составе лесозаготовительных предприятий. Рациональное использование древесины особенно важно для предприятий с производственной мощностью 5. 10 тыс м /год, где организация производства технологической щепы из боковой зоны не целесообразна. Эти предприятия, как правило, выпиливают толстые пиломатериалы одного сечения и тонкие доски ограниченного числа размеров по ширине и длине из бревен всех диаметров. Сортировка пиловочного сырья перед подачей его в распиловку производится укрупненно, и распиловка бревен нескольких смежных диаметров одним брусово-развальным поставом приводит к получению коротких узких крайних боковых досок или толстых горбылей, товарная реализация которых затруднена. Переработка толстых горбылей и короткомерных отрезков на технологическую щепу на этих предприятиях не производится, а пиломатериалы размерами в соответствии со стандартами выпиливать неэффективно.
Тонкие доски, получаемые при первичном раскрое бревен, как правило, используются для производства строганых изделий. В то же время сегменты 3 пиловочных сортиментов содержат наиболее качественную древесину, поэтому целесообразно изыскание способов и технологических процессов переработки сегментов на специализированную профильную пилопродукцию. Особенности параметров формы и размеров сегментов позволяют получить заготовки с меньшим расходом древесины, чем из обрезных пиломатериалов.
Многочисленные исследования посвящены в основном изысканию направлений рационального раскроя пифагогорической зоны пиловочных бревен, а технологические вопросы раскроя сегментной зоны изучены недостаточно.
Поэтому совершенствование технологии производства профильных заготовок из сегментной зоны круглых лесоматериалов является актуальной задачей.
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.
В период интенсивного развития лесопильного производства его эффективность обеспечивалась в основном за счет больших объемов переработки пиловочного сырья и технического перевооружения предприятий. В настоящее время наблюдается тенденция разукрупнения лесопильного производства и перемещения его к источникам пиловочного сырья.
Из-за увеличения стоимости пиловочного сырья эффективность лесопильного производства достигается за счет повышения коэффициента комплексного использования сырья.
Для повышения эффективности предприятия стремятся получить как можно больше пилопродукции из пиловочника и ориентируются на выпуск не обезличенных пиломатериалов, а целевой пилопродукции, пользующейся спросом у потребителей.
Стоимость сырья в себестоимости пилопродукции составляет около 70%. Для рационального использования сырья необходимо применять такие способы раскроя, которые обеспечивают выработку пилопродукции заданных размеров и качества при минимальных потерях древесины.
Наиболее распространенными способами раскроя на сегодняшний день являются брусово-развальный и развальный способы, теоретические предпосылки для которых рассмотрены в теории раскроя пиловочного сырья.
Теорию раскроя круглых сортиментов на обрезные пиломатериалы максимального поперечного сечения разработал Х. Л. Фельдман. [1] Задача заключалась в определении максимальных размеров (толщины и ширины) пиломатериалов, вписанных в поперечное сечение вершинного торца бревна рис. 1.1. В результате математического решения был сделан вывод, что наибольшая площадь поперечного сечения пиломатериалов будет получена при вписывании в вершинный торец бревна квадрата со стороной 0.707*/, а размеры прямоугольников, прилегающих к квадрату, равны по толщине 0,2/? и по ширине 0,86 Я. Таким образом, был получен оптимальный постав при раскрое с брусовкой, одинаковый на обоих прохов:
1хТ2Л, 2×0.2ЛХ0.86Л. (1.1).
При распиловке вразвал: 1×0Я6Я, 2×0.27/г, 2×0.2/г (1.2).
Максимальный постав не учитывает величину сбега, применим для бревен цилиндрической формы, и не учитывает потребностей рынка в пило-продукции требуемых размеров по толщине и ширине. а — брусовыйб-развальный.
Влияние сбега на выход пиломатериалов Х. Л. Фельдман рассмотрел при раскрое необрезных досок на обрезные. Установлено, что для получения максимального объемного выхода обрезных пиломатериалов необходимо производить продольный раскрой необрезных досок по ширине на размер 0,577 в долях ширины необрезной доски в комлевом торце. Так как ширина необрезной доски в вершинном торце может быть равной 0,577 В или больше, то необходимо было выделить зону поперечного сечения бревна, из которой получаются доски полной длины.
Эта зона названа пифагорической и определяется критическим расстоянием между симметричными пропилами по формуле.
Акр=, 11.5</2 -0.5?>2, 6.
1.3) где А^ - критическое расстояние между симметричными пропиламис1 — диаметр в вершинном торце бревнаО — диаметр в комлевом торце бревна.
Пифагор ическая зона (Д<�р) зависит от отношения™ и изменяется от О до 1 (табл.1).
Таблица 1.1.
Значения А^ в зависимости от коэффициента — и 1,0 0,9 0,85 0,75 0,7 0,65 0,577.
Акр 1,0 0,95 0,89 0,79 0,70 0,557 0.
Вопросами раскроя пиловочного сырья занимались многие научно-исследовательские институты и организации: ЦНИИМОД, ЛТА, БТА, МЛТИ АЛТИ, УкрНИИМОД. По данным ЦНИИМОД, при раскрое необрезных досок по длине на две или три короткие заготовки, размер зоны «досок полной длины» (Акр) увеличивается за счет включения досок, перерезаемых на две или три части, а не укорачиваемых [2]. При поперечном раскрое необрезных досок на две части пифагорическая зона составляет Акр = д/1,222 — 0,22В2, а при поперечном раскрое на три части — Акр = -0,12?>2 .
Развитие теории максимальных поставов было продолжено в работах Д. Ф. Шапиро [5]. Он преложил графический метод расчета поставов при различном количестве досок. Им дан анализ влияния на выход пиломатериалов диаметра, длины и сбега бревна.
Дальнейшее развитие теория раскроя получила в работах А. Н. Песоцкого. [3,4] А. Н. Песоцкий установил, что снижение объемного выхода и рассеивание размеров пиломатериалов происходит вследствие эллиптичности поперечного сечения бревна, кривизны, неточности сортировки и погрешностей базирования. Отмечается, что снижение выхода при эллиптичности ±-2см составляет 3−4%. Рассеивание ширин пиломатериалов происходит в зависимости от направления эллиптичности поперечного сечения бревна относительно оси постава и снижается при распиловке бревна большей осью под углом 45° к горизонтали. При анализе влияния сбега на объемный 7 выход пиломатериалов указывается, что увеличение сбега и вызванное этим фактическое увеличение объема бревна не дают пропорционального увеличения выхода пиломатериалов. Для снижения влияния сбега бревен на выход пиломатериалов их желательно укорачивать.
Г. Д.Власов предложил метод расчета среднего диаметра для спецификации сырья с точностью 3−5%. Он ввел понятие постава, который учитывает требования стандартов и технических условий на пиломатериалы. 6,7].
В.А.Залгаллером разработан графический метод составления максимальных поставов, основанный на геометрическом признаке экстремума. Предложенный В. А. Залгаллером метод позволил приблизшъ теорию максимальных поставов к условиям производства [8] .
Г. Г.Титковым установлены зависимости оптимальной толщины пиломатериалов от их положения в поставе, определен охват диаметра бревен поставами пил [9] .При расчете учтены потери древесины в рейку, на пропилы и усушку. Он определял оптимальные толщины обрезных пиломатериалов по коэффициенту использования сырья на выработку каждой обрезной доски развальным способом: где Ккоэффициент использования сырья, затраченного на выработку каждой обрезной доски;
V площадь поперечного сечения обрезной доски номинальных размеров;
— площадь части поперечного сечения бревна, затраченного на выработку обрезной доски номинальных размеров.
Схема определения площадей Fo и Рс представлена на рис. 1.2.
По результатам расчета построены графики (рис. 1.3.) Чем больше расстояние от оси постава до наружной пласта доски, тем меньше коэффициент использования. По аналогичным графикам для каждого диаметра бревна с учетом номинального сбега были выбраны оптимальные толщины досок в зависимости от их положения в поставе и толщины, и разработан график определения оптимальной толщины обрезных пиломатериалов, который представлен на рис. 1.4.
О ОЛ ОЛ 0? ал 0? М 0,7 ал 09И голщит доски, а далях к.
Рис. 1.2 Схема определения коэфРис 13 к е шменения коэффицифициентов использования сырья ентов использования сырья при выра. при распиловке бревне вразвал ботке обрезных досок по Г. Г. Титкову по Г. Г Титкову.
8 Ж, а а) X К а.
Я ¦Ч.
О N.
4* а дг о, г да цч 0,5 а>в <р цв ф.
Расстояние до внутренней пласти доски, в долях радиуса вершинного тоока бревна.
Рис. 1.4. График определения оптимальной толщины обрезных досок по Г. Г. Титкову.
М.Н. Гутерманом определены толщины досок в зависимости от охвата бревен поставом. Охватом бревна поставом называется расстояние между наружными пластями крайних боковых досок постава. Даны рекомендации по раскрою бревен с эллиптичностью поперечного сечения [10].
Развитие и уточнение теоретических положений объемного использования древесины даны П. П. Аксеновым. [11,12,13,14]. В основу теории положен принцип сокращения потерь древесины в рейку по торцу и длине бревна. Установлено, что при выработке пиломатериалов заданных размеров потери в усушку не могут быть уменьшены за счет составления более рациональных поставов. Отмечается, что при распиловке бревен часть опилок, прилегаю9 щих к пропиленным поверхностям досок, не зависит от поставов, т. е. при заданных размерах досок и известной ширине пропила эти потери будут постоянными, независимо от того, насколько рационально составлен постав. Часть опилок, прилегающих к пропиленным поверхностям кусковых отходов (горбылей, реек), зависит от постава, но составляет 15- 20% от общего объема опилок. Поэтому отходы в опилки определяются в основном шириной пропила и требуемыми размерами досок.
Сравнивая развальный и брусово-развальный методы раскроя П. П. Аксенов отмечает, что развальный способ распиловки эффективен в случае, когда невозможно получение заготовки минимально допустимых размеров из сегмента, полученного за брусом. [12,13].
Исследования объемного выхода расширены Н. А. Батиным. Он установил количественную зависимость объемного выхода пиломатериалов от размеров и формы сырья, поставов, ширины пропилов, способа раскроя бревен и необрезных досок. Им предложен графоаналитический метод расчета поставов и выбора оптимальных толщин досок. Н. А. Батин впервые дал общее теоретическое решение задачи об эффективности распиловки брусово-развальным способом по сравнению с развальным [15]. Влияние ширины пропила и количества пар досок на объемный выход Н. А. Батиным представлено на графиках, ширина пропила выражена в долях радиуса вершинного торца бревна. Оптимальное количество пар досок зависит от ширины расхода постава. В целом, с увеличением ширины постава оптимальное количество пар досок увеличивается, что связано с особенностями раскроя параболической зоны бревна и снижением относительной величины расхода древесины в опилки. С увеличением ширины пропила объемный выход пиломатериалов и количество пар досок уменьшается.
Теоретические и экспериментальные исследования способов раскроя крупномерного сырья для условий Сибири и Дальнего Востока были проведены В. Ф. Ветшевой [16,17]. Ею разработаны графики расчета поставов для распиловки крупномерного сырья на один, два и три двухкантных бруса, а.
10 так же выявлены закономерности распределения качественных зон внутри бревна на основе показателя удельной насыщенности древесины сучками в соответствующих зонах.
А.Г.Лахтанов, Л. А. Зайцева установили, что в случае продольного раскроя брусьев по сбегу с целью наилучшего использования древесины, его оптимальная толщина увеличивается [18] (табл.1.2.).
Таблица 1.2.
Оптимальная толщина брусьев.
Коэффициент сбега Шё 1,0 и 1,2 1,3 1,4.
Толщина бруса в долях диаметра бревна 0,707 0,740 0,768 0,793 0,814.
Ими также рассмотрен раскрой брусьев на несколько частей по длине. Сделан вывод, что раскрой рациональнее производить на два или три отрезка по длине, так как при этом отмечается резкое увеличение объемного выхода по сравнению с длинномерным брусом. Дальнейшее увеличение числа отрезков по длине также приводит к увеличению объемного выхода, но с меньшим его увеличением. Максимальный объемный выход получается при раскрое брусьев по сбегу.
Продольный раскрой пиловочных бревен на три бруса и оптимальные размеры этих брусьев определены в работе А. Г. Лахтанова, Н. Н. Батиной [19]. Задача решается путем вписывания в вершинный торец бревна прямоугольников максимальной площади. В результате получены оптимальные размеры брусьев Ис=0,528(1 (сердцевинный брус), И6=0,162(1боковой брус), НИ =0,85(1. Рассмотрен вариант, когда необходимо получать брусья одной толщины, при этом оптимальные размеры брусьев: Ис=Иб=0,265с1, ??И=0,795с1. Данный способ раскроя рекомендуется применять не только для бревен крупных диаметров, но и для бревен мелких диаметров, т. е. раскрой на три заготовки, что соответствует раскрою вразвал.
Раскрой сегментов на обрезные пиломатериалы исследован в работе [20,21] В. Г. Уласовца. (рис. 1.5). Определяются оптимальные ширина и длина досок, выпиливаемых из сегментов. Отмечается, что при раскрое сегментов и получаются односторонне обрезные доски, задача решается путем вписывания в пласть необрезной доски прямоугольников максимальной площади.
В результате раскроя получены формулы для определения размеров досок: по ширине:
Ь0=±[у1з (02-Е2) + А2 -2А], (1.5) о где Ъ0- оптимальная ширина доски;
О — диаметр бревна в комлевом торце.
Е — расстояние между симметричными пластями необрезных досок.
А — расстояние между симметричными пластями сегментови по длине:
КЕ2у- (А2 + Ау1з (02-Е2) + А2)], (1.6) где Ь — длина бревна.
Введен термин нифагорической зоны сегмента, которая определяется д/0 -0.5?)2) -0.5А (А + ^(В2 +А2, (1.7).
При А>0 ширина пифагорической зоны сегмента меньше ширины пи-фагорической зоны бревна.
Влияние кривизны и сбега пиловочника на длину и ширину досок определено В. Г. Турушевым. Наибольшее снижение объемного выхода еловых пиломатериалов при равномерном увеличении градации досок по длине наблюдается в том случае, когда длина бревен кратна величине градации. Уменьшение выхода на 1−1,5% происходит за счет укорочения боковых досок. При выпиловке досок длиной до 4,2 м уменьшение объемного выхода составляет в среднем 0,4% [22].
В работе Г. И Стоева дается математический расчет максимального выхода обрезных пиломатериалов при условии равенства объемов расхода древесины в опилки и рейку. Но с целью приведения размеров пиломатериалов к стандартным необходим подбор досок в поставе, при этом равенство объемов становится приближенным. [24] Оптимальные размеры пиломатериалов, выпиливаемых за брусом, определены В. А Клюевым, В. П. Покотило [25,26] Рассмотрены несколько вариантов, после решения задачи оптимизации выведены формулы (рис. 1.6.).
В условиях лесопильных предприятий небольшой мощности интерес представляет вариант раскроя при получении боковых досок шириной, равной толщине бруса или выпиловка двух брусьев одной толщины и боковых досок шириной, равной толщине бруса. Анализ раскроя на пиломатериалы размерами сечения 44×100мм с использованием формул [25] показал, что оптимальным будет диаметр 18 см. При выпиловке бруса толщиной на 100 мм и за ним досок толщиной 44 мм, из бревен диаметром больше 18 см, получается рейка больших размеров, требующая дополнительной обработки.
В этой же работе В. А Клюев рассмотрел вопрос о количестве толщин тонких досок, выпиленных за брусом. Отмечается, что получение боковых пиломатериалов одного (оптимального) размера по толщине из бревен одного диаметра не снижает объемный выход пиломатериалов. При выпиловке боковых досок одной толщины из всех диаметров бревен отмечается снижение объемного выхода ввиду отклонения размеров по толщине от оптимальных размеров. Рекомендуется принимать толщину боковых досок равной оптимальной толщине для среднего диаметра бревен, поступающих на предприятие в расчетный период.
Влияние ширины пропила на баланс древесины, установлено Г. Ф. Прокофьевым [27], З. АВолковой [28]. При увеличении ширины пропила на 1 мм объемный выход пиломатериалов снижается на 1,03. 1,59% в зависимости.
13 от диаметра бревна, объемный выход опилок и технологической щепы увеличивается на 3,75. 3,01 и 2,64. 1,34% соответственно.
Ь=Ь2.
Я = 1.05г, 6 = 0.327/.
Я = 0.458г, Ь — 0.373/.
НЬ2.
-^ 2 2.
НЮ ню.
N 2.
Л 2.
Ь =.
— ЗЯ + л/Я2+32Г2.
А =2 = ьз.
— ЗЯ + >/я2 + 32/-2.
6 =.
1 = Ъ2 = Ьг = 64.
— 3я + л/я2+32г2.
6 =.
Рис. 1.6. Оптимальные толщины пиломатериалов, вырабатываемые за брусом по В. А. Юпоеву.
По данным исследований И. В. Соболева, низкая точность пиления снижает объемный выход пиломатериалов при рамной распиловке на 0,8%. Основными причинами погрешностей распиловки являются колебания фактической посылки, затупление инструмента и изменение степени натяжения пил (жесткости)[29].
Для повышения жесткости пил и точности пиления на ленточнопиль-ных станках Г. Ф. Прокофьев предлагает установить аэростатические односторонние отжимные направляющие. 30].
По данным исследований Зайцевой Л. А. 31] тонкомерное пиловочное сырье наиболее эффективно перерабатывать на пилопродуцию и технологическую щепу, несмотря на то, что коэффициент комплексного использования меньше, чем при его переработке только на технологическую щепу. Получение тонкой пилопродукции из центральной части пиловочного бревна менее эффективно. По данным исследований Б. И. Кошуняева [32], максимальный диаметр бревен, параболическую зону которых эффективно перерабатывать на технологическую щепу, зависит от соотношения стоимости пиломатериалов и технологической щепы. Например, если стоимость щепы составляет 0,23 от стоимости пиломатериалов, то параболическую зону бревен диаметром 14 см целесообразно перерабатывать на технологическую щепу.
Все рассмотренные выше работы посвящены симметричным поставам. Распиловка пиловочного сырья часто производится поставом несимметричным относительно его оси. Исследования несимметричного раскроя начаты в работах А. Н. Песоцкого [3]. Схема раскроя несимметричным поставом представлена на рис. 1,7.
Рис. 1.7 Схема раскроя несимметричным поставом по А. Н. Песоцкому.
Согласно обозначениям, принятым на рисунке, ширина наибольшей пласти пиломатериала вычисляется по формуле: д.
В = у1а2 -(2Н-у/ы2 -Ь2)2.
1.8).
Требуемый диаметр бревен для получения брусьев с пластями В и в:
1.9).
В работе Е. С Хухрянской [33] расчет несимметричного постава ведется методом линейного программирования.
Распиловка бревен параллельно одной или обеим образующим рассмотрена в работах А. Г. Лахтанова [34], И. И. Сидорова [35,36], Турушева В. Г[37], Алексеева Е. А. 38].
В работе [34] для определения оптимальных размеров пиломатериалов по ширине (Ь0) и длине (/0), получаемых со стороны образующей, противоположной базовой поверхности, в пласть необрезной доски, полученной на расстоянии е от центра бревна, вписывают прямоугольник Ьх1 максимальной площади поперечного сечения (рис1.8.).
Рис. 1.8. Схема раскроя по образующей по А. Г. Лахтанову.
При этом оптимальный радиус сечения бревна, в котором можно получить обрезную доску с максимальным объемным выходом в зависимости от ее положения от оси бревна до наружной пласта доски можно определить по г с формуле е + г) + у1(е + г)2 +5К 5 2.
1.10).
При известном оптимальном радиусе определяются оптимальные размеры пиломатериалов по ширине:
Ь0=2рг0(г + е)-(г + е)2 (1.11) и по длине:
1.-^1 (112) Выведена формула расчета критического расстояния, при котором длина доски равна длине бревна:
3rL-RL rQ-Kz), л.
Вопросами особенностей радиальной распиловки занимались А. В. Минаев, А.А. 39], А. А Янушкевич. 40,41], Л. К. Осипова [42].
Радиальность получаемых досок характеризуется углом между касательной к годичному слою и пластью доски. А. В Минаев отмечает, что у древесины лиственницы более выражена разность между радиальной и тангенциальной усушкой, что приводит к короблению и появлению трещин в процессе сушки. Автор отмечает, что полурадиальные пиломатериалы сохраняют форму и предлагает уменьшить угол радиальности с 60 до 45, что приведет к увеличению ширины постава. Приведен расчет зоны радиальности для крупных диаметров бревен (50 см и более).
A.A. Янушкевич приводит расчет критической зоны радиальности при угле 60. Половина зоны радиальности: а) при распиловке бруса: xj=0,277d (1.14) б) при распиловке сегмента: х2 = 0.277 • (Vr2 -0.77е2 + 0.96е (1−15) в) при распиловке сектора: з =0.376 (л//-2 -0.283е2 +1.31″? (116).
В работе Н. Н. Батиной [43] произведен расчет объема горбылей при разной величине сбежистости бревна и расходе ширины постава на пиломатериалы. Расход ширины постава учен в виде коэффициента, а = —. По рес1 зультатам расчета сделан вывод, что при а<. 1 необходимо дополнительно перерабатывать горбыли для достижения более рационального использования древесины, предлагается перерабатывать на тарную дощечку и мелкую продукцию.
В зависимости от последовательности технологических операций процесса при брусово-развальном и развальном способах раскроя пиловочного сырья объем горбылей влияет на производительность лесопильного потока. Узкие подгорбыльные доски, количество которых достигает 25%, фактически не обрезаются и, перемешиваясь с горбылями, способствуют образованию завалов. [44,45]. Использование горбылей влияет на эффективность использования древесного сырья.
Кроме традиционных, известны и ограничено применяются специальные способы раскроя пиловочного сырья.
В США разработан способ раскроя бревен на секторы с получением из них призматических заготовок. При этом методе из бревна выпиливается 8 секторов, каждый из которых обрабатывается в призматическую заготовку с поперечным сечением в виде равнобокой трапеции. После сушки и строгания заготовки склеиваются в блоки требуемых размеров и раскраиваются в дальнейшем на заготовки любых размеров. Секторный способ раскроя позволяет добиться максимального охвата торца бревна, который составляет 90%. Склеивание в блоки по боковым граням и основаниям трапеции дает возможность получить заготовки повышенной формоустойчивости. [46].
В другом случае, оцшшндрованное бревно раскраивается на четырех-кантный брус квадратного сечения и четыре сегмента. Обапол (сегменты) укладывают в отдельные штабеля и сушат. Затем вырабатывают заготовки в виде равнобокого треугольника и склеивают (рис. 1.9).
В Воронежском лесотехническом институте предложен способ получения клееных пиломатериалов. 47] Бревно подвергают предварительной оци-линдровке и раскрою на равнобедренный шестигранник, от которого с одной стороны отпиливается заготовки в виде треугольников. Брус и заготовки высушивают и склеивают в заготовку прямоугольного сечения. Второй вариант предусматривает получение восьмигранника, и четырех треугольных заготовок. Брус и заготовки высушивают и склеивают в в заготовку прямоугольного сечения (рис. 1.10.).
Рис. 1.10. Схема раскроя бревен.
В. А. Чер винский предложил способ получения клееных заготовок радиальной распиловки. [48] Раскрой бревна ведется на п равных секторов в зависимости от принятого угла радиальности, с последующей сушкой и склеиванием. Склеивание осуществляется путем совмещения радиальных поверхностей: присердцевинную часть одного сектора совмещают с периферийной частью другого, а комлевые части с вершинными.
Педложен способ получения шпал. Оцилиндрованное бревно обрабатывается на фрезерном оборудовании путем профилирования боковых поверхностей шпал и дальнейшего раскроя сортимента на шпалы и центральные доски. Диапазон диаметров бревен от 8 до 20 см. При небольших диаметрах бревен предлагается получить одну центральную доску-вырезку [49]. При операции оцилиндровки сбеговая зона перерабатываетсяг в технолоиче-скую щепу.
Также предложен способ раскроя, при котором бревно по длине разбито на три части: зону здоровых сучков, зону заросших сучков, бессучковую зона [50]. Оценивается качество бревна по сучкам, раскраивается на три части по длине, в зависимости от качества, каждую часть раскраивают определенным образом для получения более высокого качества заготовок. Недостатком данного метода является получение коротких пиломатериалов, дополнительные затраты на сортировку пиловочного сырья по качеству, необходимость в специальном оборудовании, индивидуальный характер раскроя. Преимуществом является специальный раскрой каждой зоны, который учитывает особенности строения древесины, и дает возможность получения заготовок более высокого качества (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Раскрой на заготовки в зависимости от сечения по длине.
В другом случае предложен раскрой сортиментов на один брус и две равнобокие трапеции с последующей их склейкой в заготовки прямоугольные сечения. Раскрой производится на пиломатериалы толщиной 30 мм и заготовки в виде трапеций толщиной 32 мм. Сторона трапеции получается всегда одной длины и одинаковым углом наклона, что обеспечивает возможность склеивания. Для рационального использования поперечного сечения бревен разных диаметров предложены различные схемы раскроя. Даны варианты раскроя для бревен диаметрами от 80 мм до 220 мм с градацией 10 мм. Критерием оценки является получение наибольшего объемного выхода пиломатериалов и заготовок [51] (рис. 1.12.). за.
34 1 7.
Рис. 1.12. Схемы раскроя пиловочного сырья различных диаметров.
Францией запатетновано [52] получение заготовок одного размера сечения ахЬ. Для решения задачи предлагается раскрой бревен развальным способом на необрезные доски одной толщины, а и сегменты Раскрой необрезных досок ведется параллельно сбегу на прямоугольные заготовки с размером поперечного сечения ахЬ и на заготовки в виде трапеции с размером по ширине, меньшим, чем Ь. Заготовки в виде трапеций склеивают по ширине, при этом из-за разных, не регламентированных размеров заготовок по ширине и углов наклона сторон грапеций к их основаниям, требуется сортировка, подборка возможных вариантов склеивания, допускается ориентация заготовок при склеивании: вершинный горец одной заготовки соединяется с комлевым горцем другой заготовки. Склеенное полотно раскраивается на заготовки шириной />. (рис. 1.13.).
Рис 1,13. Схема раскроя пиловочного сырья на заготовки патент (Франция).
Раскрой сегментов ведется на заготовки шириной а, формирование верхней пласти заготовки осуществляет по сбегу горбыля-сегмента, при этом пласти заготовки непараллельны друг другу. Предлагается дальнейшая сушка и склеивание заготовок в полотно толщиной а. и дальнейший раскрой на требуемые заготовки.
К достоинствам данного способа можно отнести более полное использование сбеговой зоны бревна. Но возникает вопрос о допускаемом количестве швов в полученных заготовках и, следовательно, процент отбраковки заготовок по этому требованию. Кроме того, любой процесс склеивания заготовок требует дополнительных затрат, а в данном случае затраты еще увеличиваются.
УкрНИИМОД для исключения из процесса обработки длинных горбылей предложил способ получения мерных горбылей, с размерами по длине, позволяющими сбрасывать их в люк за рамой. Для этого предлагается в процессе распиловки бревна производить поперечные надрезы, перерезая горбыль. [53]. В производственных условиях недостатком данного метода может быть отсутствие точного базирования и в результате смещение бревна, получение запилов на поверхности пиломатериалов с одной стороны и недостаточное перерезание — с другой.
Также предложен способ раскроя тонкомерного сырья (</<18см) на заготовки с профилем трапеция и секторы для производства клееных пиломатериалов. Увеличение объемного выхода по сравнению с традиционными способами раскроя составляет 10.30% [54].
Низкокачественные тонкие пиломатериалы могут быть использованы на заготовки для поддонов, средний выход составляет 42,5% [55].
Одним из важнейших параметров продольного раскроя лесоматериалов является соотношение толстых и тонких досок. В. Г. Турушевем [56] установлено, что соотношение объемов центральных и боковых досок формируется под влиянием трех основных факторов: точности сортирования бревен по диаметрам, точности базирования бревен и брусьев. Степень влияния этих.
23 факторов на закономерности потока пиломатериалов зависит от диаметра бревна, охвата брусовой зоны постава центральными досками, сбега и длины бревна, ширин пропилов. Наиболее приемлемым условием сбалансированности потока пиломатериалов является ограничение наибольшей толщины бруса 0,75(1. Выявлена тенденция увеличения объема тонких досок с возрастанием величины смещения бревен и брусьев относительно оси постава перед раскроем. Снижение общего выхода при этом происходит за счет уменьшения выхода толстых досок, которое обусловлено их укорочением из-за обзола. Сокращению этих потерь способствует рациональное использование пла-сти бруса при раскрое за счет повышения точности сортирования бревен по диаметрам и улучшения базирования бревен и двухкантных брусьев.
По теории раскроя, наиболее рациональное использование древесины достигается при раскрое пифагорической зоны бревна на толстые и средние доски, с минимальным количеством пропилов. Параболическую зону традиционно раскраивают на тонкие пиломатериалы. Но при поточном рамном методе распиловки влияние смещения оси бревна относительно оси постава приводит к неэффективному использованию параболической зоны бревна. Вопросы влияния погрешностей базирования бревен и брусьев и их смещения в процессе распиловке рассмотрены В. Г. Кулишом [57], А. В. Кучиным [58,59], Прокофьевым Г. Ф. [60]. В работе [58] экспериментально установлено, что среднее значение смещения бревен составляет 7,4 мм, брусьев — 18,2 мм, при интервалах рассеивания соответственно ±-22,8 мм и с целью +63,9 мм. Потери объемного выхода в среднем составляют 3,5%. Величина потерь зависит от величины запаса пласта бруса и описывается уравнением.
АО = -4.995г + 7.193, (117) где АС?-потери объемного выхода ъзапас пласта бруса.
По данным исследований Г. Ф. Прокофьева, снижение объемного выхода при смещении оси бревна относительно оси постава с 0 до 20 мм на первом проходе составляет 1,37%, на втором проходе — 5.12%.
Пиломатериалы без дальнейшей обработки практически не используются, их перерабатывают на строганый погонаж, детали стандартных домов, мебельные заготовки. Получение заготовок в основном производится из обрезных досок.
На выход заготовок оказывает влияние способ и метод раскроя досок. Исследование влияния способов раскроя на заготовки различного назначения посвящены работы А. Н. Песоцкого, П. П. Аксенова, В. С. Ясинского, Ф. М. Фишкиной, Н. А. Попова, И. П. Кожевникова, Ветшвой В.Ф.
Рассматривая влияние продольно-поперечного и поперечно-продольного методов раскроя на выход заготовок из обрезных и необрезных пиломатериалов Ф. Л. Фишкина [61−64], Н. П. Кожевников [65.67] и другие авторы отмечают, что при продольно-поперечном способе раскроя увеличивается выход длинномерных заготовок. Проведенные исследования по определению выхода заготовок при групповом и индивидуальном методах раскроя показали, что выход заготовок при индивидуальном методе раскроя выше, чем при групповом в среднем на 3−7%.
B.C. Ясинский [68] отмечает, что при поперечном раскрое пиломатериалов существенную роль в уменьшении потерь древесины в торцовые срезки имеет градация длин заготовок, а при продольном — ширины заготовок.
Однако, несмотря на проведенные исследования в каждом конкретном случае необходимо подбирать наиболее рациональный метод раскроя пиломатериалов на заготовки с учетом всех технологических факторов.
Раскрой необрезных досок на заготовки повышает объемное использование сырья на 6.8%. 69].
C.Н.Рыкунин [70]определял выход заготовок из березовых пиломатериалов с учетом и без учета пороков, в результате чего установил коэффици.
25 ент качества, учитывающий отходы из-за несоответствия качества пиломатериалов и заготовок. Коэффициент качества определялся в зависимости от относительной насыщенности пластей досок пороками к площади пласта досок, выраженной в процентах.
Р.Н. Мацюк [71] в своей работе исследовал зависимость качества пиломатериалов от наружной сучковатости еловых бревен, в результате чего была составлена математическая модель, характеризующая изменение относительной насыщенности пиломатериалов сучками. Оценку качества производил по их линейной насыщенности сучками и по шкале качества заготовок вывел математическую модель выхода заготовок.
На выход заготовок оказывает влияние насыщенность пороками и их распределение по длине и ширине доски. Пороки и дефекты, допускаемые в пиломатериалах, но не допускаемые в заготовках, делят доску при раскрое на более короткие бездефектные отрезки, из которых вырабатываются требуемые заготовки. В результате раскроя, кроме отходов по дефектам и порокам, недопустимых в заготовках, будут отходы из-за несоответствия размеров бездефектных отрезков и заготовок.
Исследования оценки качества пиломатериалов по бездефектным отрезкам, проведенные В. М. Сытенековым, Б. М. Заливко, И П. Кожевниковым и другими показали, что градация длин заготовок и градация получаемых бездефектных отрезков оказывают существенное влияние на выход заготовок.
В.М.Сытенков [71] исследовал количественную, качественную и спе-цификационную взаимосвязь хвойных пиломатериалов и заготовок. С помощью коэффициента градации он установил, что с увеличением числа одновременно выкраиваемых заготовок по длине и ширине доски полезный выход повышается. Повысить полезный выход на 4−5% можно за счет комбинированного плана раскроя, то есть одновременного выполнения спецификаци-онных групп заготовок. Относительное увеличение коэффициента использования пиломатериалов в основном зависят от количества делящих эффектов, приходящихся на единицу длины доски.
Для повышения выхода заготовок из пиломатериалов с пороками Б. М. Заливко [72,73] предлагает отсортировать их на две группы в зависимости от количества пороков, приходящихся на единицу длины. Установил, что длины бездефектных отрезков зависят от среднего количества пороков в пиломатериалах, а степень пригодности досок для раскроя их на заготовки характеризуется средним количеством пороков, недопустимых в заготовках.
Предложенные методы оценки качества упрощают подбор пиломатериалов необходимого качества и позволяют достаточно точно планировать их раскрой на заготовки заданных размеров.
Раскрой отпада от пиломатериалов экспортного назначения на черновые заготовки для мебели рассмотрен Суровцевой Л. С. Выход заготовок в зависимости от сорта пиломатериалов составляет 30−60%. Из сосны выход заготовок меньше, чем из ели на 9−12%. 75,76].
По данным ЦНИИМОД [77], в балансе хвойного пиловочного сырья при выработке пиломатериалов по ГОСТ 26 002–83э пиломатериалы экспортные длиной от 0,45 до 2,4 м составляют 2%, пиломатериалы попутные длиной.
0,5−0,9м-2%, обапол-2,6% кусковые отходы (горбыли, рейки, торцовые срезки) составляют 34%.
Получение заготовок из пиломатериалов приводит к появлению дополнительных отходов [78], которые в среднем составляют 40%, в том числе пилки -5%, стружка — 20, кусковые отходы 15% (табл. 1.3).
Таблица 1.3.
Средневзвешенный выход столярных деталей из обрезных пиломатериалов.
Детали Выход деталей, % по сортам пиломатериалов Отходы, % по сортам пиломатериалов.
I П Ш IV I П III IV.
Оконные переплеты 71 67 58 54 29 33 42 46.
Коробки оконные и дверные 73 70 66 60 27 30 34 40.
Строганый погонаж 68 62 58 55 32 38 42 45.
Раскрой бревен на пиломатериалы и заготовки различных профилей поперечного сечения в условиях домостроительных комбинатов рассмотрен в работах В. С Межова и В. С. Ясинского. Заготовки предлагается вырабатывать трех профилей сечения (треугольник, трапеция, пятигранник) и в дальнейшем склеивать. При этом предлагается уменьшить использование центральной зоны бревна брусом и толстыми досками. Объемный выход возрастает по сравнению с раскроем брусовым методом на3−7%. [79.81].
Таким образом, в настоящее время массовыми способами раскроя пиловочника являются развальный и брусово-развальный. Раскрой осуществляется на обрезные пиломатериалы прямоугольного поперечного сечения.
Большую долю от общего выхода пиломатериалов составляют пиломатериалы, полученные из пифагорической зоны поперечного сечения бревна. Теорией раскроя достаточно полно рассмотрен вопрос рационального использования этой зоны. Раскрою параболической зоны уделено меньше внимания. Отмечается, что рациональность использования улучшается при делении боковой зоны по длине на две, три части, так же при уменьшении минимально допустимых размеров пиломатериалов, вписываемых в нее. Но раскрой ведется, в основном, на заготовки только прямоугольного сечения, что не учитывает особенности формы сегментной зоны. Заготовки и различную строганую продукцию получают из длинномерных обрезных пиломатериалов. В то же время, размеры сегментной зоны позволяют получать из них такие заготовки.
В результате анализа литературных источников определена цель работы: на основании теоретических и экспериментальных исследований повысить эффективность использования пиловочного сырья за счет рационального раскроя сегментной зоны пиловочного бревна на заготовки различного назначения.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
— разработать математические модели раскроя сегментной части пиловочных бревен на заготовки различных профилей;
— обосновать параметры профильных заготовок, получаемых из периферийной части пиловочных бревен;
— установить минимальные размеры сегментов, которые целесообразно использовать на производство профильных заготовок в зависимости от охвата пифагорической зоны;
— провести экспериментальную проверку основных теоретических положений;
— разработать варианты основных технологических схем производства заготовок из сегментной зоны;
— разработать алгоритм определения эффективности получения заготовок различных профилей сечения из сегментной части пиловочного сырья;
— обосновать рекомендации по формированию поставов на распиловку круглых лесоматериалов с учетом получения п илопродукции из сегментной зоны.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСКРОЯ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ПИЛОВОЧНЫХ БРЕВЕН НА ЗАГОТОВКИ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ.
Общие выводы и рекомендации.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по повышению эффективности использования параболической зоны пиловочного сырья на заготовки различного назначения позволяют сделать следующие основные выводы:
1. решена задача повышения эффективности использования пиловочного сырья за счет раскроя сегментной зоны бревна на заготовки различных профилей сечения;
2. установлена взаимосвязь между размерами сегментов и заготовок различного назначения;
3. эффективность использования сегментной зоны на заготовки при изменении сбежистости круглых лесоматериалов в диапазоне 5(0.0,45)^ уменьшается и составляет для профилей поперечного сечения: «трапеция» (0=87.57%), «выборка в четвертъ"(0=66.38%), «прямоуголь-ник"(0=60.36%), «переменной толщины» (0=60.30%);
4. определены зависимости размеров и выхода заготовок от сбежистости бревен и охвата пифагорической зоны пиловочного сырьяв зависимости от охвата пифагорической зоны в долях вершинного диаметра сбе-жистость не оказывает влияние на размеры заготовок, выпиливаемых из сегментов: для Н=0,6^ (э<0,2</) — для #=0,7с! (я<0,15</) — для #=0,8^ (*<Я, 1</);
5. расположение заготовок относительно оси сегмента (симметричность) определяется коэффициентом толщиныдля заготовок с профилем «выборка в четверть» наибольший объемный выход соответствует заготовке с коэффициентом 1,77- для заготовок с профилем «переменной.
144 толщины" рекомендуется принимать коэффициент толщины менее 1,5 в зависимости от требуемых размеров заготовки;
6. определено изменение объемного выхода заготовок при установлении их размеров по стандартам или требованиям потребителейвлияние изменения ширины заготовок на объемный выход с увеличением охвата пифагорической зоны уменьшается и в зависимости от сбега круглого сортимента составляет для: //=0,6(1 и $<0.2с1 — Л0=9,0%, $>#.24 -Д05,50%- Я=0,74 и .<¡-<0.15с1 — ДО~7,8%, з>0./54- АО-1,6%- #=0,84 и Ж0./4- Д02, 8%, я>0./4- Д (>=2,1%;
7. определена зависимость размеров и объемного выхода заготовок при поперечном и продольном раскрое сегмента на несколько заготовок;
8. рекомендуется производить поперечный раскрой сегментов при сбеге бревна более ?>0,154 и диаметре бревна 4>24смпродольный раскрой по ширине ограничивается минимальными размерами боковых заготовок и рекомендуется при охвате пифагорической зоны //<0.74 и диаметре бревна 4^28см;
9. обоснован критерий эффективности получения заготовок различных профилей поперечного сечения, который учитывает размерные и потребительские характеристики заготовок различного назначения;
10.создано программное обеспечение для оценки эффективности получения заготовок различного профилей с учетом влияния факторов: сбега круглых лесоматериалов, охвата пифагорической зоны поставом, смещения оси бревна относительно оси постава;
11. организация производства профильных заготовок наиболее целесообразна прежде всего на предприятиях небольшой производственной мощности, расположенных близко к местам лесозаготовок, где сегментная зона круглых лесоматериалов используется нерационально;
12.алгоритм рационального раскроя параболической зоны бревен на заготовки может быть положен в основу производственных инструкций и технологических режимов для промышленных предприятий;
13.структурно-технологические схемы производства заготовок различного назначения с набором основного технологического оборудования является базой систем машин и оборудования для производства заготовок в условиях лесопильных предприятий.
14.Технологические рекомендации использованы в производственной деятельности ООО «Северлес» г. Архангельск при продольном раскрое горбылей-сегментов на профильные заготовки. Акт приемки-сдачи работ приведен в прил. П. 4.
