Сортообразование лесопродукции

Качество лесопродукции, как и ряда других природных сырьевых ресурсов, например нефти и руд, характеризуется свойствами самого сырья и наличием в нем пороков (примесей), влияющих на выход конечной продукции и способы, т. е. технологии, ее получения.

Необходимость сортообразования лесопродукции

Основные свойства, важные для качества конечных продуктов, имеют свои особенности, согласно которым сырье классифицируют по маркам (для нефти), месторождениям (для руд), породам древесины (хвойные, мягко- и твердолиственные) и их разновидностям (по регионам произрастания). Иными словами, при оценке природных свойств сырья происходит его подразделение на группы качества. Эти свойства и группы качества в лесопромышленном производстве формируются в древесиноведении. На его основе данных древесиноведения определяют требования к конкретным видам продукции из древесины, получаемым при переработке лесопродукции.

Кроме природных свойств древесины, лесопродукция характеризуется формой и размерами: диаметром, толщиной или шириной, длиной - и наличием пороков, определяющим объем и качество конечной продукции. Выход этой продукции - главный показатель качества перерабатываемой лесопродукции. Он является определяющим для выбора технологии раскроя лесопродукции и формирования ее групп качества, или сортов. Необходимость подразделения лесопродукции на сорта по качеству вызвана зависимостью выхода конечного продукта в первую очередь от количества и размеров пороков древесины. Эта зависимость может быть минимальной - при отсутствии определенных пороков (гнилей, кривизны, трещин), тогда выход конечной продукции зависит только от параметров перерабатываемой лесопродукции и неизбежных технологических отходов и потерь, а может быть и максимальной - при наличии пороков таких размеров, которые исключают возможность получения требуемой продукции. Поэтому именно по выходу конечной продукции устанавливается весьма широкий диапазон качества лесопродукции, который для ее рациональной и экономически целесообразной переработки необходимо делить на определенные интервалы качества, то есть выделять сорта.

Использование критериев качества, учет влияния пороков на выход требуемой продукции, изучение факторов, определяющих изменчивость и неоднородность качества лесопродукции, применение математических моделей качества перерабатываемой лесопродукции, обеспечение оптимальной стабильного качества сортов лесопродукции - основные задачи лесного товароведения и лесопромышленного нормотворчества.

Критерии качества лесопродукции

В производстве массовых видов лесопродукции (пиловочника, пиломатериалов, заготовок и деталей) действуют и обязательно учитываются два критерия качества. Первый, приоритетный, критерий можно условно назвать потребительским, или внешним. Второй критерий зависит от первого и может именоваться технологическим, или внутренним.

Потребительский критерий имеет формат конкретных технических требований, которым должна соответствовать конечная продукция (заготовки или детали изделий из древесины). Эти требования формируются потребителем (заказчиком) на основе условий применения конечной продукции или условий ее эксплуатации в конкретных деревянных изделиях и обычно регламентируется нормативными документами, в основном формата ГОСТ. Такие требования могут содержаться и в ГОСТах на деревянные изделия и их детали (окна, двери, паркетные щиты и доски). Потребительский критерий вводится в лесопромышленное производства извне, от заказчиков, поэтому является внешним.

Основой потребительского критерия в большинстве случаев служат прочностные, то есть механические, свойства древесины, а для некоторых видов конечной продукции и ее физические свойства (текстура, цвет, резонансные свойства). Тем самым превалирующим требованием является конструкционная способность, требования декоративности предъявляются только к некоторым деталям. Внешний критерий включает требования к размерам деталей или заготовок, влажности древесины, шероховатости поверхностей конечной продукции, а также нормы ограничения пороков древесины и дефектов обработки, влияющих на основные свойства продукции. Конструкционные способности и декоративные свойства древесины обычно определяются породой древесины, что также отражается в потребительском критерии.

При разработке или освоении производства новых видов конечной продукции, заказываемой потребителем, требования к которым отсутствуют в действующем ГОСТе на детали, заготовки либо деревянные изделия, необходимо четко определять все характеристики потребительского критерия и регламентировать их согласованным с потребителем стандартом организации (СТО) - одним из основных результатов лесопромышленного нормотворчества.

Технологический критерий характеризуется требованиями к параметрам и качеству перерабатываемой лесопродукции, обеспечивающими ее экономически целесообразное использование с целью получения конечной продукции, соответствующей внешнему критерию. Технологический критерий определяет внутренние решения по организации производства, выбору оптимальной технологии и состава оборудования, по принятию штата специалистов и рабочего персонала и другие, поэтому является внутренним критерием.

Количественным показателем соответствия производства этому критерию следует считать выход (количественный, то есть объемный, и качественный, то есть сортовой) продукции из единицы объема перерабатываемого сырья. Величина выхода, оцениваемая обычно в процентах или долях объема сырья, характеризует и уровень рационального использования перерабатываемой лесопродукции, и экономическую эффективность лесопромышленного производства. Здесь уместно напомнить отечественные и зарубежные оценки: если эффективность реализации пиловочника условно принять за условную единицу, то эффективность реализации полученных при его распиловке сырых пиломатериалов составит 2-3 условные единицы, а сухих калиброванных - до 6-7, изготовление клееных деревянных конструкций повышает эффективность до 10-12 условных единиц, а производство деревянных домов обеспечивает 30-кратное повышение эффективности переработки древесины по сравнению с реализацией пиловочника. Эти оценки созвучны принципу старых русских ремесленников: на копейку сырья - на рубль продукции.

Оба критерия не могут иметь однозначных, дискретных количественных показателей, так как потребительский критерий базируется на учете свойств древесины, а технологический - на учете параметров лесопродукции и наличия пороков, влияющих на выход требуемой продукции.

Свойства древесины характеризуются изменчивостью не только по древесным породам, но и внутри каждой породы. К тому же на них сказываются пороки древесины. Цилиндрическая форма пиловочных бревен - причина снижения объемного выхода пилопродукции, а пороки древесины влияют на ее сортовой состав. Эти объективные факторы формируют природные диапазоны качества как конечной продукции, так и перерабатываемого древесного сырья. Количественные характеристики этих диапазонов определяют целесообразность сортообразования лесопродукции.

Диапазон потребительского критерия

Таблица 1. Изменчивость физических и механических свойств
древесины

Изменчивость свойств древесины, являющихся основой этого критерия, характерна не только для видов древесины пород, но и для каждой породы. Например, отношение максимальных значений показателей некоторых свойств к их минимальным значениям в образцах чистой (без пороков) древесины ряда пород может составлять два и выше (табл. 1). В качестве потребительского критерия обычно принимается среднее значение показателя преимущественных прочностных свойств в связи с областью применения и в зависимости от условий эксплуатации данного изделия, коэффициентов запаса прочности (от 1,5 до 3,0). Тем самым зачастую для деталей назначают завышенные требования прочности, что приводит к увеличению их поперечных сечений и, как следствие, перерасходу лесопродукции на единицу конечной продукции. Более рациональное использование перерабатываемой лесопродукции обеспечивается, например, при инструментальной (машинной или силовой) оценке прочности пилопродукции, так как исключается необходимость учета большого запаса прочности.

Диапазон потребительского критерия формируется не только изменчивостью свойств древесины, но и влиянием на эти свойства пороков древесины, особенно сучков, трещин, наклона волокон, а такой порок, как гнили, просто «обнуляет» потребительские свойства любой пилопродукции, прежде всего деталей. Тем самым диапазон этого критерия становится столь обширным, что требует введения ограничений, то есть деления его на интервалы (градации, сорта).

Физические свойства древесины (плотность, твердость, текстура, цвет и др.) также имеют существенное значение для некоторых видов конечной продукции. Эти свойства различаются по породам древесины и тоже формируют диапазон потребительского критерия. В частности, при изготовлении штучного паркета по ГОСТ 862.1 и планок лицевого покрытия паркетных изделий (мозаичного по ГОСТ 862.2, паркетных досок по ГОСТ 862.3 и паркетных щитов по ГОСТ 862.4) их подразделяют по физическим свойствам на марки А и Б.

Планки марки А изготавливают из древесины только некоторых твердолиственных пород, преимущественно дуба и тропических. Для изготовления планок марки Б используют древесину любых твердолиственных, ряда хвойных пород, березы. Для изготовления деревянных окон и дверей тоже используют твердолиственные или хвойные породы.

Итак, диапазон потребительского критерия формируется с учетом изменчивости прочностных свойств древесины, влияния на них пороков древесины и физических свойств различных пород. Прочностные свойства регламентируются некоторыми, обычно средними, значениями показателей этих свойств, физические свойства - конкретными породами древесины, а влияние пороков - нормами их ограничения. Эти нормы в действующих стандартах делят диапазон потребительского критерия на ряд интервалов, или сортов.

Так, ГОСТ 9865, регламентирующий качество хвойных заготовок общего назначения (строительство, производство мебели, вагоно-, машино-, судо- и автостроение), подразделяет диапазон влияния пороков древесины на четыре сорта (группы), а ГОСТ 7897 на заготовки лиственных пород делит этот диапазон на три сорта. Каждый сорт имеет свои нормы ограничения пороков; гнили не допускаются; пределом нормы является ограничение «не более».

Более детально диапазон потребительского критерия оценивается при силовой (машинной) сортировке пилопродукции. При этом для хвойных и лиственных пород древесины используется более мелкое деление (до 10 и более градаций или интервалов) этого диапазона на классы (сорта). Значения показателей по классам прочности (при статизгибе) приведены в Еврокоде 5 «Деревянные конструкции». Такая дробность (с основным интервалом 4 МПа) обеспечивает не только деление всего диапазона потребительского критерия, но и наиболее рациональное использование пилопродукции в определенных изделиях и строительных конструкциях.

Заготовки и детали как конечная лесопродукция имеют функциональное назначение, которым определяется потребительский критерий их качества. Диапазон значений критерия формируется многообразием назначений этой пилопродукции. По назначению заготовок (деталей) устанавливаются требования к древесине (по породам, ограничению пороков и т. д.), и эти требования не могут иметь градаций качества (сортов). Именно поэтому ГОСТ 91685 и ГОСТ 7897 определяют не сорта заготовок любого назначения, а устанавливают нормы ограничения пороков для заготовок определенного назначения: для деталей мебели - 1-й сорт, для строительных деталей - 2-й сорт, и т. д.

Приоритетное назначение заготовок (деталей) исключает их деление на группы качества или сорта, - что необходимо учитывать при сортообразовании перерабатываемой лесопродукции (пиломатериалов, пиловочника, хлыстов).

Нормы ограничения пороков в заготовках и деталях устанавливают только с учетом назначения этой пилопродукции. Эти нормы при определенных условиях (см. статью «Качество древесины и лесопродукции. Первичная лесопродукция» в «ЛПИ» № 6 за 2014 год) могут быть идентичны нормам для сортов пиломатериалов, а сорта пиломатериалов могут быть связаны с сортами пиловочика. Тем самым обеспечивается значительное совпадение потребительского и технологического критериев конечной продукции и перерабатываемых видов лесопродукции и наиболее рациональное использование древесного сырья.

Диапазон технологического критерия

Технологический критерий характеризует выход лесопродукции из перерабатываемого сырья (полуфабриката): пиловочника из хлыстов, пиломатериалов из пиловочника, заготовок (деталей) из пиломатериалов. Изменчивость выхода (объемного, т. е. количественного,  и сортового, т.е.  качественного) формирует диапазон технологического критерия.

Объемный выход зависит от параметров (формы и размеров) перерабатываемой и получаемой лесопродукции, способа раскроя сырья, применяемых режущих инструментов и т. п.

Форма хлыстов и пиловочника одинаковая. Поперечный раскрой (раскряжевка) хлыстов бензопилами (на лесосеке) или циркульными пилами (на нижнем складе при вывозке в хлыстах) обеспечивает минимальные потери древесного сырья в виде опилок. Основные отходы составляют вершинные части хлыстов, длина и диаметр которых не соответствуют размеру пиловочника, и возможными отклонениями при наличии гнилей или трещин с недопустимыми в пиловочнике размерами, а также большой закомелистости. Поэтому объемный выход пиловочника хвойных пород оценивается на уровне 80% объема хлыстов.

Различие форм пиловочных бревен и получаемых из них пиломатериалов, прежде всего обрезных требуемых сечений, - основная причина образования отходов древесины в лесопилении и, как следствие, снижения объемного выхода пиломатериалов. Способ раскроя пиловочника (рамный, ленточнопильный, фрезерно-брусующий) и применяемые режущие инструменты тоже влияют на выход пиломатериалов. В результате выход обрезных пиломатериалов составляет 50-60%, а необрезных - до 70% объема пиловочника.

На объемный выход заготовок преимущественное влияние оказывают кратность их длины длине раскрываемых досок, назначение заготовок (при получении заготовок деталей достигается наибольший выход) и способ раскроя пиломатериалов: поперечный или продольно-поперечный, а для необрезных досок, особенно шириной более 150 мм, еще и поперечно-продольно-поперечный. Поэтому объемный выход заготовок может изменяться в довольно широких пределах: от 90-95% пиломатериалов при производстве заготовок деталей до 40-50% объема в случае других заготовок. Объемный выход лесопродукции зависит и от наличия в полуфабрикате недопустимых пороков, в частности гнилей и кривизны в пиловочнике.

Качественный выход лесопродукции зависит от наличия в получаемой продукции пороков и их размеров. Нормы ограничения пороков являются границами интервалов (сортов), на которые делится диапазон качественного выхода лесопродукции. Сорта (1-й, 2-й и т. д.) являются дискретными величинами, не характеризующими реальную изменчивость качественного выхода лесопродукции.

Динамика качественного выхода может быть изучена на основе коэффициента сортности Kc пиломатериалов, а еще точнее - с применением усредненного коэффициента сортности К_ус (см. «ЛПИ» c №6 и №7 2014 года). Использование К_ус (на основе оценки сортности каждого погонного метра доски) позволило получить математическую зависимость выхода различных заготовок от качества пиломатериалов.

Коэффициенты сортности хвойных обрезных пиломатериалов имеют экономическую основу, так как определены по отношению цены досок каждого сорта к цене досок третьего сорта и характеризует степень использования пиломатериалов по назначению, то есть по выходу заготовок при раскрое досок. Это позволяет учесть объемный и качественный выход лесопродукции в одном показателе технологического критерия: ценностном выходе (С) продукции из полуфабриката. Ценностный выход рассчитывается как произведение объемного выхода (в долях объема сырья) и коэффициента сортности получаемой лесопродукции. Тем самым появляется возможность количественно оценить диапазон технологического критерия и определить принципы его деления на интервалы (сорта).

Определение ценностного выхода

Ценностный выход, являясь количественным показателем технологического (внутреннего) критерия качества лесопродукции, имеет особенности расчета для каждого ее вида. Ценностный выход пиломатериалов формируется за счет динамики обоих показателей: объемного и качественного. Пиловочник, как отмечалось выше, дает относительно стабильный объемный выход обрезных и необрезных пиломатериалов. Хлысты также характеризуются выходом пиловочника на уровне 80% (0,8 объема хлыста).

В одной из предыдущих статей цикла (см. статью «Качество древесины и лесопродукции. Пиломатериалы» в «ЛПИ» № 7 за 2014 год) были изложены зависимости объемного выхода различных заготовок от усредненного коэффициента сортности К_ус пиломатериалов. Используя максимальные и минимальные значения К_ус и соответствующие им выходы комплектных заготовок, позволяющих наиболее полно использовать пиломатериалы, получаем диапазон ценностного выхода (на условиях эксперимента, приведенных в упомянутой статье): С = 2,00...0,40. Рациональное, экономически целесообразное использование пиломатериалов со столь значительным диапазоном С невозможно без разделения на ряд сортовых интервалов (J_с).

Расчетные и фактические
характеристики
неоднородности качества
хвойных пиломатериалов

При определении Jс принято обязательным условие стабильности и однозначности их количественного различия. Значения К_с имеют следующие различия коэффициентов сортности: 0,4 - между отборным и первым сортом и 0,3 между остальными сортами. Однако полученные нами результаты оценки пиломатериалов не по К_с, а по К_ус (см. табл.) показывают, что фактически эти различия составляют от 0,35 для хвойных пиломатериалов первого сорта до 0,65; 0,75 и 0,95 для досок второго, третьего и четвертого сорта соответственно.

Для оценки сортности пиломатериалов с учетом их фактической насыщенности сортообразующими пороками и размещения этих пороков по длине доски предложены правила более объективного определения сортности хвойных пиломатериалов. Эти правила позволяют обеспечить межсортовую разницу значений К_с на уровне 0,4. Тем самым диапазон С хвойных пиломатериалов (в условиях данного эксперимента) может быть разделен на четыре интервала (2,00 - 0,40 = 1,6; 1,6: 0,4 = 4), или на пять сортов.

Ценностный выход пиловочника определяется как произведение С каждой получаемой при его раскрое доски и удельного веса объема этой доски в объеме пиломатериалов, получаемых из каждого бревна.

На основе изложенных в предыдущих статьях данных исследования качества хвойного пиловочника и полученных из него пиломатериалов, результатов раскроя их на заготовки нами получена зависимость С пиловочника от его диаметра (d), наличия и размера сучков на поверхности бревен - s (от 0 до 60 мм), кривизны f (от 0 до 0,4d) и наличия гнили h (от 0 до 0,5d).

Эта зависимость описывается уравнением: С = 1,343 + 0,001d - 0,002s - 1,526h - 1,716f - 0,001ds + 0,003dh + 0,003sh + 0,003df + 0,003sf + 1,519hf.

По этому уравнению определены минимальные и максимальные их значения С (от 0,16 до 1,36 и его диапазон: 1,36 - 0,16 = 1,20. Принятый J_c = 0,4 позволяет определить три сортовых интервала С (1,2: 0,4 = 3), то есть четыре сорта пиловочника. Следует отметить, что данное уравнение учитывает влияние совокупности пороков (sh, df, sf и hf) на величину С и положительное для С влияние одновременного наличия гнили и кривизны (коэффициента + 1,519) при отсутствии сучков, что благоприятно для сортности пиломатериалов, зависящей в основном от наличия и размеров сучков.

По удельному весу С каждого сорта пиловочника определены значения ценности выхода для хлыстов. Минимальное значение С хлыстов примерно 0,2, а максимальное чуть больше 1,0, то есть диапазон С равен 0,8 (1,0 - 0,2). Таким образом, при J_c = 0,4 хлысты могут быть оценены тремя сортами.

Полученные результаты (с некоторыми округлениями) определения ценностного выхода для пиломатериалов, пиловочника и хлыстов представлены в табл. 2.

При анализе данных табл. 2 следует учитывать следующее:

• оценка и определение С относятся к лесопродукции, используемой для получения конечной продукции - заготовок и деталей определенного назначения;
• качество пиломатериалов оценивается с учетом насыщенности досок сортоопределяющими (по ГОСТ 8486) пороками и их расположения по длине пиломатериала, то есть не по К_с, а по К_ус;
• определение сортности пиломатериала осуществляется только по основным сортоопределяющим порокам и с ограничениями их совокупностей;
• качество пиловочника оценивается по наиболее часто встречаемым сортоопределяющим порокам и с учетом их одновременного наличия (совокупности) на каждом бревне.

Оценка перерабатываемой лесопродукции по ценностному выходу конечной продукции позволяет:

• определить единый диапазон С для всей перерабатываемой лесопродукции (пиломатериалов, пиловочника, хлыстов): 1,8, т.е. 2,0 - 0,2; С = 2,0 при использовании пиломатериалов отборного сорта как заготовок - деталей, не требующих раскроя досок, и С = 0,2 при переработке хлыстов третьего сорта;
• оценить основные факторы, определяющие десятикратную разницу выходов С (2,0 и 0,2): объективные, характеризуемые влиянием как пороков, так и формы перерабатываемой лесопродукции (бревен и пиломатериалов или необрезных досок и заготовок прямоугольного сечения), и, условно говоря, субъективные, то есть зависящие от человека (методы оценки качества лесопродукции, способы ее переработки, применяемое оборудование и режущие инструменты, формы организации производства и др.); это в конечном итоге характеризует виды и объемы отходов древесины при переработке лесопродукции, то есть рациональность ее использованиея, и должно регламентироваться нормативными и другими документами при лесопромышленном нормотворчестве;
• объективно определить количество сортов каждого вида перерабатываемой лесопродукции при постоянном сортовом интервале (J_c = 0,4).

Приоритет потребительского (внешнего) критерия, базирующегося на однозначном (бессортовом) диапазоне качества заготовок или деталей (от полного отсутствия пороков до максимально возможных норм их ограничения) формирует требования к перерабатываемым видам лесопродукции и даже к стволовой древесине как сырью для получения хлыстов.

Бессортность заготовок и деталей может быть оценена как 1, то есть одной градацией качества. Древесина любой породы имеет две градации качества: товарную и дровяную. Хлысты, как следует из изложенного выше, оцениваются тремя сортами, пиловочник - четырьмя, а пиломатериалы - пятью сортами. Увеличение количества сортов, то есть градаций качества, по мере переработки лесопродукции объясняется наличием и размерами пороков, вскрываемых при раскрое лесопродукции. Тем самым расширяются диапазоны изменчивости качества лесопродукции, определяющего качество получаемой последующей продукции (бревен из хлыстов, пиломатериалов из пиловочника, заготовок или деталей из пиломатериалов).

Основной практический вывод из изложенных предложений по сортообразованию лесопродукции: весь цикл переработки лесопродукции должен осуществляться по единому критерию - выходу конечной товарной продукции, то есть заготовок и деталей определенного назначения. Этот критерий - основа рационального использования древесного сырья и экономической эффективности лесопромышленного производства.

Принципиально важной при таком подходе к сортообразованию лесопродукции является оптимальная стабильность сорта как градации качества лесопродукции, характеризующейся определенной расчетной величиной выхода требуемой конечной продукции. Таким образом, создаются условия для обоснования стоимости лесопродукции каждого сорта. Если, например, выход определенных заготовок из пиловочника третьего сорта будет в 3-4 раза меньше, чем из пиловочника отборного сорта, то и стоимость пиловочника этих сортов должна быть разной, кратной различию в выходе конечной продукции.

Технологический (внутренний) критерий качества лесопродукции должен реализоваться через комплекс внутренних документов (СТО, процессов, режимов и т. д.), регламентирующих требования к качеству перерабатываемого сырья, процессам переработки лесопродукции и т. д. Это позволяет, как показывает зарубежный и отечественный опыт комплексных лесопромышленных производств, организовать наиболее эффективную переработку древесины в цикле «хлыст - бревно - доска - заготовка» и тем самым обеспечить рациональное и экономически целесообразное лесопромышленное производство.

Виктор Кислый, директор фирмы «МП «ДОМ»,  канд. техн. наук