Результат интеллектуальной деятельности: Способ для экспресс-диагностики резонансных свойств выдержанной в старых сооружениях древесины

Изобретение относится к области диагностики физико-механических свойств древесины, выдержанной в старых сооружениях, и может быть использовано в неразрушающем отборе качественного материала целевого назначения с прогнозируемыми техническими характеристиками для изготовления музыкальных инструментов, акустических панелей зрительных залов, театров, а также других специальных сортиментов из древесины в машиностроении, авиационной и судостроительной промышленностях.

Известно, что для выявления резонансных свойств древесины применяется методика Н.Н. Андреева, основанная на определение акустической константы излучения звука К (м⁴/кг×с), которая в свою очередь находится в зависимости от плотности и динамического модуля упругости [1, 8]:

Также установлено, что макроскопическое строение и цвет древесины имеют связь с ее резонансными свойствами [9].

Существуют способы для определения плотности, модуля упругости, макроскопического строения и внешнего вида.

Известен способ диагностики резонансных свойств древесины и устройство для его осуществления. Данный способ основан на отборе образцов в виде радиально-поперечных кернов древесины, последующем определении динамики изменения ширины годичных слоев и содержания в них поздней древесины по ее микротвердости [3].

Недостаток данного способа заключается в том, что отобранный для исследования образец требует использования специализированной установки - электронного микродендрометра или подобной ей и, как следствие, не может отнесен к экспресс-диагностике резонансных свойств древесины в сооружениях. Также к существенным недостаткам представленного способа относится то, что с момента отбора керна на месте расположения исследуемого объекта до момента доставки опытного образца в лабораторию происходит изменение его физико-механических свойств, что снижает точность результатов исследований.

Известен способ ультразвукового испытания резонансной древесины в виде поленьев, включающий измерения ультразвуковых параметров в рабочей зоне резонансной древесины полена с помощью датчика и приемника ультразвуковых волн с наконечниками конусообразной формы [4].

Основной недостаток данного способа заключается в том, что он базируется на акустическом методе испытаний, то есть требует изготовления образцов определенной формы и размеров, а также, при использовании на месте расположения деревянного сооружения, наличия источника электрического питания на 220 В и увеличения проводников ультразвуковых датчиков для обхода встречающихся крупногабаритных конструктивных элементов исследуемого объекта.

Известен способ исследования свойств древесины путем измерения сопротивления сверлению, представленный устройством [6] и заключающийся в просверливании исследуемого материала тонким буровым сверлом и сопоставлении полученной мощности сверления с ее физико-механическими характеристиками.

Недостаток способа заключается в том, что при исследовании данным способом и устройством не отбирается образец, таким образом, становится сложно выявить его макроскопическое строение и невозможно определить внешний вид (цвет), поэтому результаты диагностики резонансных свойств могут быть недостаточно точными.

Также известен способ ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню путем определения дендроакустических свойств исследуемого образца, который заключается в том, что у елового подроста с южной стороны от серединных боковых веток берут образцы в виде черенков, далее определяют собственную частоту колебаний отобранных черенков резонансным методом [5].

Недостаток данного способа заключается в том, что он разработан для исследования резонансных свойств образцов в виде боковых черенков, то есть части подроста, которая не требует специальных подходов и инструментов для получения образца. Определение частотно-амплитудной характеристик по данному способу возможно с использованием специализированной установки - устройством для дендроакустических испытаний по раннему выявлению резонансных свойств древесины на корню, что делает способ стационарным и выполняемым только в лабораторных условиях. Рассмотренные установка и способ могут работать лишь на образцах с продольным расположением годичных слоев в образце.

Прототипом является способ, описанный применительно к устройству для экспресс-диагностики резонансных свойств древесины на корню, заключающийся в исследовании резонансной древесины устройством, содержащим в качестве рабочего органа полый бурав, схожий по конструкции и размерам со стандартными приростными бурава для отбора керна из древесины, и включающий электронную систему измерения сопротивления пробуравливанию [7].

Недостаток способа заключается в том, что для ориентации устройства и установления строго радиального направления пробуравливания используется мерная вилка специальной конструкции, которая предназначена для использования на отдельном дереве или лесоматериале, что делает невозможным ее использование, например, при исследовании бревенчатой стены дома, так как вследствие плотного прилегания бревен отсутствует возможность обхвата исследуемого конструктивного элемента по трем точкам, как указано в изобретении. Получение радиальных образцов является важным условием диагностики резонансных свойств древесины.

Общим недостатком рассмотренных способов является то, что в них не представлена методика для экспресс-диагностики резонансных свойств выдержанной в старых сооружениях древесины, включающие конкретизацию конструктивных элементов для исследований выдержанной древесины, диагностируемых характеристик древесины.

Технический результат - повышение точности и оперативности экспресс-диагностики резонансных свойств древесины в старых сооружениях, подлежащих сносу, а также расширение диапазона проведения комплексных дендрометрических исследований непосредственно вблизи самого объекта.

Технический результат достигается тем, что экспресс-диагностика резонансных свойств древесины осуществляется посредством их обследования, выявления расположения стен и других конструктивных элементов относительно сторон света и преобладающей розы ветров конкретного региона; для определения мест отбора образцов и экспресс-диагностики резонансных свойств древесины в строго радиальном направлении применяются планки, устанавливаемые жестко на противоположных торцах каждого исследуемого конструктивного элемента так, чтобы их прямолинейные рабочие поверхности проходили через сердцевину исследуемой древесины; свободные концы планок должны выходить не менее чем на 100 мм от внешней поверхности конструктивного элемента, при этом на их рабочие поверхности посредством крепежных элементов фиксируются по два связующих элемента, один из которых расположен у внешней поверхности исследуемой древесины, а другой на некотором расстоянии от него ближе к свободному концу планки; оба связующих элемента находятся в натянутом состоянии и прямолинейны, связывают планки противоположных торцов конструктивного элемента, образуют секущую его в радиальном направлении плоскость, являющуюся направлением подачи рабочего органа бурава для исследования; в качестве связующих элементов могут служить натянутые шнуры, канаты, лазерные уровни или подобные им.

На фиг. 1 приводится пример общей схемы разметки участков для экспресс-диагностики на южной наружной бревенчатой стене сооружения; на фиг. 2 схема разметки участков для экспресс-диагностики на отдельно взятом конструктивном элементе сооружения; на фиг. 3 определение радиального направления экспресс-диагностики; на фиг. 4 текстура древесины на радиальной и тангенциальной обрезной поверхности (пласти) конструктивных элементов сооружений

Способ осуществляют следующим образом.

Первоначально осуществляется обследование сооружения и с помощью компаса выполняется определение расположения конструктивных элементов сооружений для исследования относительно сторон света и преобладающей розы ветров данного региона. Далее на выбранных элементах устанавливаются соответствующие обозначения.

К приоритетным конструктивным элементам сооружений относятся наружные стены, расположенные с юго-западной стороны и максимально перпендикулярно к преобладающей розе ветров (фиг. 1), где древесина по сравнению с другими сторонами в большей мере подвергается действиям светового и температурно-влажностного факторов, способствующих более интенсивному протеканию химических реакций в древесине, что снижает содержание сахаристой фракции (пентозанов и гексозанов), одновременно повышает содержание лигнина и, соответственно, повышается модуль упругости. Информация о розе ветров данного региона может браться, например, из метеорологического справочника.

В случае исследования конструктивных элементов выдержанного деревянного сооружения в круглом виде, такие как бревна, стропила и т.п., важно определить в них расположение сердцевины 1, годичных слоев и задать ориентир для строго радиального 2 направления пробуравливания 3. Для этого на двух торцах бревен или брусьев 4 жестко закрепляются планки 5, так чтобы их рабочая поверхность проходила через сердцевину 1 исследуемой древесины. Длина планок и место их крепления выбирается исходя из условия, что их свободные концы должны выходить не менее чем на 100 мм от внешней поверхности конструктивных элементов. Далее на рабочие поверхности планок 5 устанавливаются два связующих элемента 6 и 7, один расположен у внешней поверхности исследуемой древесины, а другой на некотором расстоянии от него ближе к свободному концу планки 5 соответственно. Связующие элементы образуют секущую конструктивный элемент в радиальном направлении плоскость и являющуюся направлением исследования 3. В качестве уровня могут служить натянутые шнуры, канаты, лазерные уровни или подобные им.

При диагностике конструктивных элементов, имеющих обрезную поверхность(-ти), например, половые и потолочные доски, лаги и т.п.расположение годичных слоев может определяться по текстуре на пласти (фиг. 4), например, позиция 8 на фиг. 2, так и по их торцам. Остальные действия по заданию направления для определения места отбора образцов и экспресс-диагностики выполняется аналогично, как при исследовании конструктивных элементов в круглом виде.

Ориентируясь на зафиксированные связующие элементы на бревнах или брусьях стен отмечается, например, 3 точки (9, 10, 11): по двум сторонам - расположенными с одинаковым смещение от чашки сруба (линия А и С) на расстояние не менее 500 мм или от торца (для конструктивных элементов без чашек) на этом же расстоянии (4-9, 4-11); серединная - расположенная по центру стены (линия В).

Экспресс-диагностика проводится с помощью устройств, основанных на измерении усилия сопротивления древесины пробуравливанию.

В результате диагностики в зависимости от выбранного устройства и метода определяются несколько или одно из следующих характеристик выдержанной древесины: плотность, модуль упругости, макроскопическое строение, внешний вид. По полученным данным определяется акустическая константа излучения звука К или они сопоставляются со стандартными (табличными) данными и делаются соответствующие выводы.

Качественная древесина, выдержанная в старых сооружениях и с удовлетворяющими резонансными свойствами, в дальнейшем используется по целевому назначению.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Андреев, Н.Н. О дереве для музыкальных инструментов / Н.Н. Андреев // Сб. тр. / НИИМП. М.Л., 1937. Вып. 1. С. 11-18.

2. Волынский, В.Н. О взаимосвязи прочности древесины с несколькими ее параметрами // Лесн. журн. 1991. №4. С. 60-64. (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Пат. 2130611 Российская Федерация МПК G01N 33/46 (1995.01). Способ диагностики резонансных свойств древесины и устройство для его осуществления / Федюков В.И., Веселов Л.Н., Веселов В.Л. - №97109185/13; заявл. 28.05.1997; опубл. 20.05.1999.

4. Пат. 2334984 Российская Федерация МПК G01N 33/46 (2006.01). Способ ультразвукового испытания поленьев резонансной древесины / Мазуркин П.М., Темнова Е.Б. - №2006126506/12; заявл. 20.07.2006; опубл. 27.01.2008, Бюл. №27. - С. 7.

5. Пат. 2439561 Российская Федерация МПК G01N 33/46 (2006.01). Способ ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню / Федюков В.И., Салдаева Е.Ю., Васенев А.Л. - №2009111148/13; заявл 26.03.2009; опубл. 10.01.2012, Бюл. №1. - С. 7.

6. Пат. 2448811 Российская Федерация МПК В23В 25/06 (2006.01). Устройство для измерения сопротивления сверлению / Шарапов Е.С., Чернов В.Ю., Чернов Ю.В. -№2010145313/28; заявл. 08.11.2010; опубл. 27.04.2012, Бюл. №12. - С. 3.

7. Пат. 2577886 Российская Федерация МПК В23В 25/06 (2006.01). Устройство для экспресс-диагностики резонансных свойств древесины на корню / Федюков В.И., Салдаева Е.Ю., Цветкова Е.М., Васенев А.Л. - №2014118170/02; заявл. 05.05.2014; опубл. 20.03.2016, Бюл. №8. - С. 3.

8. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения: Учебник для лесотехнических вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп: М.: МГУЛ, 2001. - 340 с.

9. Федюков, В.И. Ель резонансная: отбор на корню, выращивание, целевое использование: монография / В.И. Федюков. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2016. - 256 с.