Информационные технологии производства конструкционных пиломатериалов
В настоящее время все в большей степени возрастает спрос на конструкционные пиломатериалы с известными механическими свойствами. Это объясняется высокой эффективностью использования конструкционных пиломатериалов в клееных несущих конструкциях, автомобилестроении, сельскохозяйственном машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности.
Можно с уверенностью сказать, что более половины выпиливаемых в России пиломатериалов используется в таких конструкциях и по таким назначениям, где критерием их рационального применения является высокая достоверность соответствия требуемых механических свойств древесины фактическим. Эта же тенденция наблюдается и за рубежом. Так, обеспечение высокой достоверности механических свойств пиломатериалов в Англии позволило сократить нормализованную толщину пиломатериалов с 50 до 38 мм и с 75 до 63 мм и уменьшить расход древесины на несущие конструкции примерно на 24 %. Таким образом, важнейшим условием рационального использования пиломатериалов является не только их использование по определенному назначению, но и высокая достоверность их сортировки по механическим свойствам.
Это может быть обеспечено только в условиях автоматического определения механических свойств древесины на специальных установках — машинах. Визуальная сортировка (оценка качества) пиломатериалов по механическим свойствам не позволяет иметь высокой степени ее достоверности и малопроизводительна.
Исследования методов неразрушающего сплошного контроля (радиационного, вибрационного, ультразвукового, изгиба и др.) показали, что в настоящее время наиболее рационален метод изгиба. В его основе лежит определение модуля упругости и связанных с ним показателей механических свойств древесины по реакции пиломатериалов при изгибе на определенную величину, либо но величине прогиба при определенной изгибающей силе. Эта силовая сортировка имеет сравнительно высокую производительность и достоверность и позволяет автоматизировать процесс определения механических свойств древесины при сравнительно несложных конструкциях установок.
Силовая сортировка пиломатериалов довольно широко применяется в Англии, США, Канаде, Австралии, Германии, Финляндии, Швеции, Венгрии, Польше и других странах. Уже в течение ряда лет ведется разработка международного стандарта по сортировке пиломатериалов хвойных пород по механическим свойствам.
Первые установки прочностной сортировки пиломатериалов появились в начале 1960-х годов в США. Обнадеживающие результаты, полученные на этих установках, привели к появлению в 1962 г. установок CLT-1 и «Stress-о Matie» (США), FPRL (Англия), «Computerraatic» (Австралия) и др.
Анализ сортирующих устройств с постоянной изгибающей силой и постоянным прогибом показывает ряд преимуществ последних. Так, в установках с постоянной изгибающей силой весьма сложно поддерживать ее на постоянном уровне. Для этого требуются специальные гидросистемы с большим быстродействием, а для измерения прогибов — бесконтактные измерители. Эти и ряд других причин, связанных в основном со сложностью решения процессов в динамике, указывают на целесообразность создания автоматизированных линий силовой сортировки пиломатериалов, имеющих свободно опертую схему нагружения с постоянным прогибом при продольном перемещении пиломатериаловна кромке.
Кинематическая схема сортирующей установки, разработанной в ЛТА им. С. М. Кирова, представлена на рис. 3.3. Установка состоит из сварной станины, несущей два приводных базовых вальца 7, два опорных подпружиненных вальца 4, один изгибающий валец 5 и четыре направляющих вальца 1. Все вальцы имеют диаметр 190 мм, кроме изгибающего, имеющего диаметр 90 мм. Кроме того, имеется четыре поддерживающих вальца 6, механизмы перемещения подпружиненных 2 и изгибающего 8 вальцов, магнитоупругий преобразователь силы 10, привод 11, состоящий из электродвигателя и вариатора, а также роликовые натравляющие 9 и фотореле ФР1 и ФР2. Прижим вальцов 2 осуществляется пружинами 3. Скорость подачи от привода мощностью 4 кВт может бесступенчато регулироваться в пределах от 0,68 до 2,04 м/с. Длина установки 2520 мм, ширина 1530 мм и высота 1300 мм. Длина нагружаемого пролета 900 мм.
При силовой сортировке пиломатериалов на установках с постоянным прогибом модуль упругости оценивается по реакции пиломатериалов на изгиб, которая копируется в определенном масштабе выходным сигналом преобразователя силы. Для определения сорта пиломатериалов необходимо сравнить выходные сигналы преобразователя силы с расчетными — пороговыми (разделяющими доски на сорта по механическим свойствам), запомнить характер изменения этих сигналов относительно пороговых значений и осуществить операцию синтеза адреса пиломатериалов.
Поэтому в системе управления установки предусматриваются преобразователь силы, блок компораторов (блок сравнения), блок запоминающих устройств и блок синтеза адреса.
На рис. 3.4 представлена схема линии для получения конструкционных пиломатериалов с заданными механическими свойствами и требуемой длины. К линии на участок 1 подаются плотные пакеты пиломатериалов или сушильные штабеля. В зависимости от этого здесь устанавливаются те или иные типы наклонных подъемников и другое оборудование для разборки пакетов или штабелей досок и их накопления в виде однорядного «ковра» на питателе 2 (с выравниванием досок по торцу, ближайшему к установке прочностной сортировки 4). Осмотр досок оператором производится при их подходе к отсекателям, установленным в конце емкости питателя 2 и при их поштучной выдаче (с поворотом и установкой на кромку) на устройства загрузки 3 прочностной сортировки 4. На ней определяются поперечные сечения (участки) по длине досок, например с недопустимо низким значением модуля упругости древесины. Если таких сечений (участков) более одного, доска с помощью шиберного устройства 7 отправляется с устройств 5, расположенных за прочностной сортировкой, на продольный транспортер 8 и далее в карман-накопитель 6. Сюда же могут быть направлены доски после визуального контроля качества по команде оператора. Доски, не имеющие участков с недопустимо низкими значениями модуля упругости древесины или имеющие не более одного такого участка, направляются поперечным цепным транспортером 9 к многопильному торцовочному агрегату-триммеру 13. При этом доски ориентируются с помощью управляемых упоров 10, 11 к 12 слабым сечением на одну из его пил. Триммер осуществляет раскрой досок по слабому сечению. Затем пиломатериал поступает на участок 14. Здесь формируется пакет заготовок с выравненными с одной стороны концами. Пакет фиксируется, и фрезерно-пильное устройство торцует концы пиломатериалов и нарезает шипы. Затем пакет освобождается, и заготовки выравниваются торцами с другой стороны, которые также торцуются, и на них нарезаются шипы. Далее пакет перемещается мимо устройства, которое наносит клей на поверхность шипов (нанесение клея одностороннее), и заготовки поочередно подаются к прессу, где и склеиваются в непрерывную ленту. Последняя обрабатывается на калибровочном станке и раскраивается на заготовки требуемой (или кратной) длины с помощью безупорной измерительной системы и торцовочной пилы. Затем: заготовки укладываются в плотные пакеты пакетоукладчиком. Пакеты выдерживаются определенное время в специальном помещении и отправляются потребителю.
Структура линий для сращивания досок на зубчатый шип и раскроя непрерывной ленты может и отличаться от изложенной. Отметим только, что производительность таких современных линий достигает 60 склеек в минуту. Поэтому при мощных или сдублированных установках для прочностной сортировки досок производительность таких цехов может составить около 100 тыс. м3 пиломатериалов в год.
На крупных предприятиях, специализирующихся на выпуске конструкционных пиломатериалов, можно использовать несколько линий для обработки всех выпиливаем их пиломатериалов и выпуска их только конструктивными. При распиловке сырья соответствующего качества это позволяет иметь высокую эффективность процессов. Организация одноэтапной массовой камерной сушки пиломатериалов до заданной к. ©вечной: влажности сразу на лесопильных заводах в этих условиях является наиболее рациональной. Кроме увеличенной (на несколько десятков процентов) стоимости пиломатериалов (практически выпускаются заготовки) ликвидируются такие традиционные процессы, как оценка качества пиломатериалов по сортам и их сортировка по сортам и длинам, а также складирование пилопродукции между этими операциями.
Весьма эффективным может оказаться использование таких цехов или линий на лесоэкспортных предприятиях для обработки низкокачественных пиломатериалов, что, по существу, позволяет вообще отказаться от выпуска пилопродукции низкого качества. Исследования показывают, что производить вырезку всех слабых сечений, имеющихся по длине досок, нецелесообразно, так как только потери древесины будут сводить эффект перевода пиломатериалов в высшие сорта к минимуму. Вырезка у досок, например, двух слабых участков не приносит значительного выигрыша по сравнению с вырезкой одного слабого участка, но зато вызывает значительные усложнения технологического и конструктивного характера. При этом объем досок, требующих вырезки более одного слабого сечения, как правило, составляет не более нескольких процентов (примерно 5 %).
Рассмотренный выше тип линий позволяет с большой эффективностью применить на них автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), начиная с прочностной сортировки и кончая подачей заготовок на участок их сращивания по длине. К задачам управляющих вычислительных машин относятся: определение модуля упругости древесины по длине досок с заданным шагом; выявление наличия слабых сечений, определение их качества и положения по длине пиломатериала; управление шиберным устройством; определение схемы раскроя; управление триммером и выдвижными упорами; учет выработанной пилопродукции.
Исходной информацией, подлежащей обработке в АСУТП, является: реакция пиломатериала на изгиб, толщина, влажность, температура пиломатериалов и тактовые импульсы, поступающие с частотой, пропорциональной скорости перемещения пиломатериалов через силовую установку.
Установки силовой сортировки в зависимости от требований производства могут быть скомпонованы не только с линиями сращивания заготовок по длине (после вырезки слабого сечения), но и с линиями сортировки досок по длинам. В этом случае доски, не имеющие сечений (участков) с недопустимо низким модулем упругости (или высших сортов), торцуются в размер градаций длин на триммере и направляются для их сортировки по длинам и пакетирования. Доски, имеющие сечения с недопустимо низким модулем упругости, подаются для их раскроя на линии сращивания по длине.
Перспективность прочностной сортировки может быть проиллюстрирована на примере ее осуществления для лиственничных пиломатериалов. В этом случае эффективность состоит в том, что только переход с выпуска пиломатериалов на выпуск заготовок позволит избежать многократно завышенных коэффициентов запаса прочности лиственничной древесины и уменьшить размеры деталей на 20...50 % в ответственных конструкциях.
Большая группа европейских стандартов посвящена конструкционным пиломатериалам. Для них разработаны отдельные стандарты размеров и допусков» методов определения механических свойств и плотности, классификации по прочности. Установлено девять классов прочности для хвойных и тополевых пиломатериалов и шесть классов для лиственичных пиломатериалов.
Использование отечественных пиломатериалов в качестве конструкционных эффективно как для экспорта., гак и для внутреннего рынка. Применение европейских стандартов является необходимым условием развития экспорта конструкционных пиломатериалов.