Определение сердцевинной гнили в круглых лесоматериалах
Методы и приборы неразрушающего контроля
Один из видов готовой продукции, которую может получить лесозаготовительное предприятие в результате обработки заготовленной древесины, - это круглые лесоматериалы определенного назначения. Еще не так давно их принято было называть кряжами, поэтому и операция, в результате которой их получают, была названа раскряжевкой. По итогам лесозаготовительных операций, предшествующих раскряжевке - валке деревьев, очистке стволов от сучьев, трелевке, - нельзя получить готовую товарную продукцию, которую можно реализовать потребителям.
У разных видов сортиментов разная стоимость, и прежде всего от оптимальности раскроя ствола при раскряжевке зависит доход от продажи продукции лесозаготовительного предприятия, особенно если оно торгует только круглыми лесоматериалами. К разным видам сортиментов предъявляются разные требования по породе, размерам и допустимым порокам. Возможность или невозможность учета скрытых пороков ствола, например таких, как сердцевинная гниль, сильно влияет на оптимальность схемы раскроя ствола.
Существует несколько способов неразрушающего контроля для выявления скрытых пороков в древесине. Более 90% компаний, ведущих лесозаготовку в Российской Федерации, - это небольшие предприятия, объемы заготовки круглых лесоматериалов которых не превышают 100 тыс. м3 в год. Подобного рода компаниям лучше применять акустические методы выявления скрытых пороков, так как у этих методов невысокая стоимость приборной базы. Компаниям, у которых годовой объем лесозаготовок более 300 тыс. м3, рационально использовать метод рентгеноскопии.
Для того чтобы определить, какой метод лучше всего подходит для дефектоскопии в стационарных условиях и в условиях лесосеки, наши сотрудники проводили эксперимент с образцом древесины, пораженным сердцевинной гнилью, а для сравнительного анализа использовалась заготовка без внутренней гнили. Параметры заготовок были идентичными: диаметр 15 см, длина 50 см.
Рис. 1. Расположение датчиков при замере: 1, 3 – излучатель-детектор;
2 – исследуемая древесина; 4 – линия прохождения ультразвука
Акустические методы позволяют обнаружить поверхностные и внутренние дефекты: неоднородность структуры, нарушение сплошности, дефекты склейки в изделиях. В настоящее время широко используются только два метода: временно теневой и импедансный. Временно теневой метод основан на измерении времени пробега импульса через объект (метод сквозного прозвучивания). Он широко применяется для определения крупных дефектов в материалах с большим рассеиванием ультразвука, например в огнеупорных блоках, бетонных изделиях, древесине и т. д. Импедансный метод основан на различии механических импедансов* дефектных и доброкачественных участков контролируемого изделия. Механические импедансы оценивают с поверхности изделия в зонах возбуждения в древесине изгибных колебаний звуковых или низких ультразвуковых частот. Изменения механического импеданса преобразуют в изменения электрического сигнала, который обрабатывают в электронном блоке дефектоскопа и представляют на индикаторе или используют для управления исполнительными механизмами.
По временно теневому методу контрольные замеры проводились на оборудовании фирмы Proceq, для чего использовался прибор для ультразвуковых испытаний Pundit PL-200, а также датчики - экспоненциальные преобразователи с рабочей частотой 54 кГц. Следует подчеркнуть, что использовать прибор можно только после окорки древесины, что невозможно в условиях лесозаготовок.
Рис. 2. Схема работы акустического дефектоскопа АД-60К:
1 – датчик (излучатель-детектор); 2 – изгибные колебания звуковых частот; 3 – годичные слои древесины
Датчики устанавливались на заготовке напротив друг друга. Ультразвук с частотой 54 кГц проходил короткое расстояние от одного датчика до другого, проникая в каждый дефект, который находился на его пути, а не огибал дефектные участки, как ультразвук более высоких частот. Схема работы прибора показана на рис. 1.
Замеры проводились по длине заготовки с шагом 20 мм. Установлено, что средняя скорость ультразвукового импульса в заготовке, в древесине которой не было гнили - 1627 м/с, а в заготовке с гнилью - 1075 м/с. По импедансному методу контрольные замеры проводились на акустическом дефектоскопе производства отечественной фирмы «АКА-Скан» АД-60K, который предназначен для акустического контроля изделий из композитных и других материалов с большим затуханием на предмет определения расслоений, непроклеев, внутренних дефектов в изделиях из слоистого пластика и композитных материалов.
По структуре композитные материалы очень схожи с древесиной, так как у них большое число слоев. Указанный акустический дефектоскоп позволяет использовать любые типы импедансных и ударных преобразователей, оснащенных пьезоэлементами или микрофоном.
Рис. 3. Результаты измерений АД-60К: а – заготовка с гнилью;
б – заготовка без гнили
На рис. 2 датчик 1, который располагается поперек волокон в древесине, за счет биения об заготовку создает упругие волны частотой от 10 до 15 Гц. Эти частоты, улавливаемые ухом, возбуждают в каждом годичном слое древесины изгибные колебания звуковых частот. Как уже отмечалось, прибор предназначен для проведения замеров в слоистых пластиках и других слоистых изделиях. Древесина представляет собой созданный природой слоистый материал, но у нее более сложная структура, чем у слоистых пластиков и подобных материалов, потому что слои, как правило, равные. Изменение механического импеданса при исследовании образцов древесины будет означать изменение плотности каждого годичного слоя древесины. Полученную информацию прибор анализирует и выдает на экране график, подобный тому, который представлен на рис. 3.
Рис. 4. Форма модернизированного датчика для импедансного дефектоскопа АД-60К
На рис. 3б представлена диаграмма звуковой волны в древесине без гнили. Пунктиром по горизонтали и вертикали обозначена сетка графика. На графике отражены два ярко выраженных скачка звуковой волны. Эти скачки иллюстрируют повышение плотности внутри древесины; так как скачков два, в древесине два плотных включения, дальнейшие исследования с помощью рентгенотелевизионного оборудования показали, что это два сучка. На рис. 3а в древесине с гнилью увеличение звуковой волны не отражено, наоборот, она на спаде, и есть незначительные колебания на низком уровне. В древесине с гнилью рост акустических показателей невозможен. Плотность гнили, как показано на рисунке, неравномерная.
Достоинством метода является время проведения замера, не превышающее три секунды. Недостаток метода в том, что замер выполняется точечно, исследуется только та часть древесины, по которой проходит ультразвук. Для анализа среза необходимо провести более 12 замеров по окружности, желательно с минимальным шагом, чтобы получить достоверные данные, так как гниль может находиться в любом месте ствола дерева. Этот метод не подходит для дефектоскопии круглых лесоматериалов, поскольку требует значительных затрат времени, кроме того, необходимо окаривать древесину для проведения замеров. Можно модернизировать датчики прибора, для того чтобы исследовать образцы неокоренной древесины, но затраты времени на исследования будут большими.
Рис. 5. Схема блока датчиков на гидроцилиндрах:
1 – гидроцилиндры;
2 – модифицированный датчик АД-60К;
3 – модуль крепления датчиков
Достоинством импедансного метода является простота конструкции прибора, его низкая стоимость, а также возможность автоматизации процесса. Для выявления дефекта в древесине достаточно одного замера. Прибор на мониторе показывает информацию о наличии дефектов, а если на графике прямая, это говорит об отсутствии каких-либо дефектов. Можно получить информацию о наличии или отсутствии смоляных кармашков, гнили и прочего, а также о природе дефекта, в том месте, где был установлен датчик прибора. Для получения данных о состоянии древесины всего ствола, сортимента, отрезка и тому подобного нужно провести замеры по всей длине с шагом 5 см. К прибору можно подключить до десяти датчиков, что дает возможность использовать его для изучения структуры древесины деревьев, например, в садах и парках с целью выявления насаждений, пораженных гнилью, во избежание их падения и возникновения опасности для здоровья и жизни людей. Недостатком импедансного метода, как и временно теневого, является необходимость окорки древесины перед проведением замеров. Поэтому следует выполнить модернизацию датчиков прибора для возможности проведения дефектоскопии древесины без окаривания. Из акустических методов дефектоскопии для решения поставленной задачи подходит только импедансный, так как после проведения модернизации датчика прибора АД-60К его можно использовать в качестве дефектоскопа.
Проблемой использования АД-60К является недостаточно плотное прилегание датчика к древесине из-за размеров датчика и его формы (у рабочей поверхности датчика форма прямоугольника 2,5 х 6 см).
Рис. 6. Схема установки для дефектоскопии круглых лесоматериалов, вид сзади: 1, 2 – цепной транспортер; 3 – зажимы; 4 – круглые лесоматериалы; 5 – блок датчиков; 6 – гидроцилиндр регулировки по высоте; 7 – гидроцилиндр регулировки расстояния «колеса» с датчиками от древесины
Для того чтобы обеспечить требуемую плотность прилегания датчика к коре, его корпус должен быть изготовлен в форме конуса, а рабочая плоскость датчика должна быть минимальной. Принцип работы датчика аналогичен принципу работы датчика АД-60К, предположительные размер и форма датчика представлены на рис. 4.
Прибор можно использовать стационарно для автоматизации дефектоскопии, раскряжевки и сортировки на производстве. Рассмотрим технологическую схему работы прибора при его использовании на линии дефектоскопии. Информацию, полученную при дефектоскопии, можно использовать для сортировки и рациональной раскряжевки круглых лесоматериалов, что поможет повысить выход деловой древесины. Схема работы АД-60К представлена на рис. 5.
Древесина двигается по цепному транспортеру, а ствол зажимается с двух сторон специальными захватами. Датчики на гидроцилиндрах, в совокупности представляющие собой «колесо», прокатываются по двигающейся древесине, каждый цилиндр с определенным усилием надавливает датчиком на древесину, создавая необходимый контакт с нею для проведения замера. Схема работы представлена на рис. 6 и 7.
Рис. 8. Досмотровый прибор на основе рентгеновского излучения Smiths Detection ILane.pro
Рис. 7. Схема установки для дефектоскопии круглых лесоматериалов, общий вид: 1 – круглые лесоматериалы; 2 – зажимы; 3 – гидроцилиндры регулирующие «колесо» по высоте; 4 – блок датчиков; 5 – модернизированные датчики; 6 – ленточный транспортер
Контрольные замеры по методу рентгеноскопии проводился на оборудовании компании Smiths Detection/Heimann - рентгенотелевизионном оборудовании проходного типа модели ILane.pro, которое представлено на рис. 8.
В принцип работы досмотрового прибора проходного типа (далее - МРТУ) для дефектоскопии древесины заложена оценка волн рентгеновского излучения, проходящего через исследуемый участок сортимента. Удобен интерфейс, с помощью которого можно получить на экране установки изображение высокого качества. Программа прибора позволяет выполнять смену настроек контрастности и цвета для выделения искомого объекта. На рентгенотелевизионном оборудовании проводились замеры тех же заготовок древесины, которые использовались при проведении замеров по импедансному методу. Их результаты подтверждают результаты, полученные в ходе исследований древесины, проводившихся с помощью прибора АД-60К, работающего по импедансному методу. Снимки заготовок, сделанные рентгеновским способом, представлены на рис. 9.
б)
а)
На рис. 9а стрелкой указана линия перехода от здоровой части древесины к части, пораженной сердцевинной гнилью. На рисунке 9б стрелкой указан сучок, находящийся внутри заготовки без гнили.
Компания ICM с 2015 года серийно производит портативный рентгенотелевизионный комплекс (далее ПРТК) Flatscan 30. Основной частью ПРТК является рентгеновский узел. Общий вид рентгеновского узла фирмы ICM представлен на рис. 10.
Основной целью досмотра древесных материалов с использованием приборов рентгеновского излучения является обнаружение предметов, запрещенных к провозу. В зависимости от того, какой объект необходимо досмотреть, можно использовать рентгеновские установки разных размеров - от малогабаритных до стационарных большого размера. Работа досмотровых рентгеновских установок абсолютно безопасна для человека и не требует дополнительной защиты. Схема работы ПРТК представлена на рис. 11.
Рис. 10. Рентгеновская установка ICM Flatscan 30:
1 – детектор рентгеновских лучей; 2 – рентгеновский аппарат
Рис. 11. Схема работы ПРТК установки: 1 – компьютер; 2 – портативный рентгеновский аппарат; 3 – предмет досмотра; 4 – детектор рентгеновских лучей
Анализ результатов проведенных исследований позволил сделать следующие выводы. Для дефектоскопии круглых лесоматериалов желательно использовать рентгенотелевизионную установку стационарного типа, а также портативный рентгенотелевизионный дефектоскоп, так как принцип работы и качество получаемого изображения у них одинаковые. Для повышения выхода технологической щепы, а также рационального использования деловой и низкокачественной древесины вне зависимости от места ее переработки необходимо создать линию для определения гнили и рационального раскроя круглого лесоматериала.
В рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства», которая включена в реестр ведущих научных и научно-педагогических школ Санкт-Петербурга, созданы технологические схемы переработки низкокачественной древесины, разделенные на три отрезка.
Хлысты с сердцевинной гнилью рассчитываются на зоны деловой и низкокачественной древесины. Зоны деловой древесины раскряжевываются в зависимости от плана раскроя, который задается оператором, зоны низкокачественной древесины раскряжевываются на отрезки длиной от 1,0 до 1,5 м для подачи на станок для выколки гнили и далее - на производство технологической щепы (рис. 12).
Рис. 14. Принцип работы харвестерной головки Kesla 25SH: а – головка находится в начальном этапе; б – коросрезающий нож, расположенный рядом с пилой, неподвижен, а другие ножи передвигаются; в – головка возвращается в первоначальное положение
Хлысты без внутренней гнили на основе полученной информации раскраиваются по раскряжевочному плану в зависимости от потребностей производства, позволяющих выполнять раскряжевку с максимальным выходом деловых сортиментов. Далее сортименты отправляются на переработку, например на изготовление пиломатериалов.
Согласно блок-схеме, представленной на рис. 13, хлысты без предварительной окорки исследуются на наличие пороков с использованием 3D-сканера и модернизированной рентгеновской установки. Для хлыстов с сердцевинной гнилью рассчитывается оптимальная схема раскроя хлыстов в зависимости от размеров гнили.
Далее выполняется раскряжевка хлыстов, деловые сортименты учитываются, сортируются и укладываются в штабели для хранения. Деловые сортименты могут быть отправлены на хранение в штабелях или потребителям. Низкокачественная древесина подается на линию переработки, где проводится раскалывание, окорка, выколка гнили и рубка на щепу.
Согласно блок-схеме, представленной на рис. 15, хлысты исследуются на наличие внутренних и внешних пороков на 3D-сканере и модернизированной досмотровой рентгеновской установке. Исходя из полученной информации хлысты сортируются. Хлысты с сердцевинной гнилью отправляются на окорку и дальнейшую переработку. Хлысты, в которых нет внутренней гнили, раскряжевываются с максимальным выходом деловой древесины, маркируются и отправляются на склад готовой продукции. Сортименты не окариваются, т. к. срок транспортировки древесины может превышать 15 суток.
Сотрудниками Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета совместно с инженерно-техническими работниками разработано техническое решение использования портативного рентгенотелевизионного комплекса, которое может быть установлено на импульсную головку харвестера или процессора. Благодаря этому решению можно проводить оценку сердцевинной гнили в круглых лесоматериалах на лесосеке, что позволяет значительно сократить расходы на транспортировку древесины, если она непригодна для дальнейшей обработки, а также повысить эффективность заготовки. ПРТК устанавливается на головку, работающую по импульсному принципу.
Рис. 17. Схема построения линии между необработанными зонами: 1 – зона необрабатываемой древесины; 2 – зона невыявленной гнили согласно построенной схеме; 3 – начало зоны дефектоскопии; 4 – конец зоны дефектоскопии; 5 – зона дефектоскопии; 6 – сердцевинная гниль
Рис. 16. Схема дефектоскопии хлыста с использованием рентгенотелевизи- онного оборудования: 1 – необрабатываема я зона; 2 – начало зоны обра- ботки; 3 – конец зоны обработки; 4 – обрабатываемая зона
Принцип работы головки, представленный на рис. 14, следующий: сучкорезные ножи обхватывают ствол дерева, и дерево спиливается, в этот момент выполняется первоначальный замер древесины на наличие гнили при помощи ПРТК. После валки дерева срезаются сучья и выполняется раскряжевка. В это время передвигаются два дальних ножа головки, а нож, который находится у пилы, неподвижен, поэтому работа прибора возможна. Период остановки ножа составляет 3,4 с, которых достаточно для проведения исследования состояния древесины с помощью ПРТК. Расстояние между ножами в раздвинутом положении составляет 1,1 м, экран прибора может обрабатывать около 65 см. Схема построения модели приведена на рис. 16.
Согласно схеме модели предполагаемой линии гнили между крайними точками обработанных зон строится прямая. Схема построения линии в зонах, которые не обрабатываются ПРТК, представлена на рис. 17. В соответствии с предлагаемой моделью определения образа гнили с использованием ПРТК, необрабатываемая зона составляет незначительный объем относительно общего объема деловой древесины и сердцевинной гнили.
Иван ФРОЛОВ, инженер,
Игорь ГРИГОРЬЕВ, д-р техн. наук, СПбГЛТУ
