RU2830704C1 - Method for determining physical and mechanical properties of wood of growing trees - Google Patents
Method for determining physical and mechanical properties of wood of growing trees Download PDFInfo
- Publication number
- RU2830704C1 RU2830704C1 RU2023127590A RU2023127590A RU2830704C1 RU 2830704 C1 RU2830704 C1 RU 2830704C1 RU 2023127590 A RU2023127590 A RU 2023127590A RU 2023127590 A RU2023127590 A RU 2023127590A RU 2830704 C1 RU2830704 C1 RU 2830704C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- drilling
- wood
- resistance
- trunk
- mechanical properties
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к лесному хозяйству и лесной промышленности и может быть использовано для оперативного неразрушающего определения физико-механических свойств древесины растущих деревьев, оценки изменения свойств по радиусу и высоте ствола, а также выбора рациональных технологий переработки древесины.The invention relates to forestry and the forest industry and can be used for the rapid non-destructive determination of the physical and mechanical properties of wood of growing trees, the assessment of changes in properties by the radius and height of the trunk, and the selection of rational technologies for wood processing.
Известен способ сравнительного испытания древесины, при использовании которого образцы изымаются (изготавливаются) из пиломатериалов, лесоматериалов или растущих деревьев в виде кернов. Дополнительно из объекта исследования изготавливаются образцы стандартных размеров, например, 20×20×30 мм3. Суть способа заключается в определении переходного коэффициента между скоростью прохождения ультразвука по керну и прочностными характеристиками, полученными в лабораторных условиях на стандартных образцах [1].A method of comparative testing of wood is known, in which samples are taken (made) from sawn timber, timber or growing trees in the form of cores. Additionally, samples of standard sizes are made from the object of study, for example, 20×20×30 mm 3 . The essence of the method lies in determining the transition coefficient between the speed of ultrasound passage through the core and the strength characteristics obtained in laboratory conditions on standard samples [1].
Недостатком данного способа является использование стандартных образцов для лабораторных исследований, что выводит данный метод из группы неразрушающих методов оценки физико-механических свойств древесины растущих деревьев. При этом использование данного способа не позволяет оценить изменение физико-механических свойств древесины в пределах годичного слоя.The disadvantage of this method is the use of standard samples for laboratory research, which removes this method from the group of non-destructive methods for assessing the physical and mechanical properties of wood of growing trees. At the same time, the use of this method does not allow assessing the change in the physical and mechanical properties of wood within the annual layer.
Известен также способ и устройства для косвенного определения физико-механических свойств древесины, основанные на методе измерения сопротивления сверлению [2]. Способ базируется на использовании мобильной установки для просверливания древесины тонкими буровыми сверлами. При проведении измерений фиксируются энергосиловые и/или скоростные параметры процесса сверления, которые связаны с физико-механическими свойствами древесины. Способ позволяет определять вариацию свойств древесины в пределах годичного слоя и широко используется для оценки свойств и внутреннего состояния древесины в растущих деревьях. К недостаткам данного способа можно отнести снижение точности прогнозирования физико-механических свойств древесины при увеличении глубины сверления ввиду возрастания трения хвостовика тонкого бурового сверла о стружку и стенки отверстия, что часто фиксируется при оценке свойств древесины растущих деревьев. Существующий метод корректировки профиля сопротивления древесины сверлению, представленный в работе [3], позволяющий частично исключить компоненту трения тонкого бурового сверла из общего профиля сопротивления древесины сверлению, разработан для образцов цельной древесины, без учета специфики определения свойств древесины растущих деревьев. Преобразование профиля сопротивления сверлению в профиль физико-механических свойств древесины требует использования моделей взаимосвязи данных параметров, которые могут быть получены на базе просверливания и последующих физико-механических испытаний стандартных образцов древесины [4], что является дополнительным недостатком, также выводящим данный способ из перечня неразрушающих методов оценки свойств древесины.A method and devices for indirectly determining the physical and mechanical properties of wood based on the method of measuring drilling resistance are also known [2]. The method is based on the use of a mobile unit for drilling wood with thin drill bits. During the measurements, the energy and/or speed parameters of the drilling process, which are associated with the physical and mechanical properties of wood, are recorded. The method makes it possible to determine the variation in the properties of wood within the annual layer and is widely used to assess the properties and internal state of wood in growing trees. The disadvantages of this method include a decrease in the accuracy of predicting the physical and mechanical properties of wood with an increase in the drilling depth due to an increase in the friction of the shank of the thin drill bit against the chips and the walls of the hole, which is often recorded when assessing the properties of wood in growing trees. The existing method for adjusting the profile of wood resistance to drilling, presented in work [3], which makes it possible to partially exclude the friction component of the thin drill bit from the general profile of wood resistance to drilling, was developed for samples of solid wood, without taking into account the specifics of determining the properties of wood in growing trees. The transformation of the drilling resistance profile into a profile of the physical and mechanical properties of wood requires the use of models of the relationship between these parameters, which can be obtained on the basis of drilling and subsequent physical and mechanical testing of standard wood samples [4], which is an additional disadvantage, also removing this method from the list of non-destructive methods for assessing the properties of wood.
Техническим результатом является повышение точности и оперативности определения физико-механических свойств древесины по радиусу и высоте ствола растущего дерева, а также в пределах годичного слоя на основе метода измерения сопротивления сверлению с изъятием керна из растущего дерева.The technical result is an increase in the accuracy and efficiency of determining the physical and mechanical properties of wood along the radius and height of the trunk of a growing tree, as well as within the annual layer, based on a method for measuring drilling resistance with the removal of a core from a growing tree.
Технический результат достигается тем, что профиль сопротивления древесины сверлению корректируется путем исключения значений, соответствующих трению тонкого бурового сверла о стружку и стенки отверстия, при этом на участках просверливания коры и флоэмы дерева (луба), а также начальном участке сверления ксилемы (древесины), равном 10 миллиметрам значение трения хвостовика сверла приравниваются нулю. Осуществляется взятие цилиндрического керна из растущего дерева приростным буравом в радиальном направлении на расстоянии 5 и более миллиметров от места внедрения или выхода тонкого бурового сверла из ствола дерева. После соответствующей подготовки керн делится бесстружечно на части. У каждой части керна определяются физико-механические свойства: влажность, плотность, акустические характеристики и механические свойства. Значения физико-механических свойств сопоставляются со средними значениями участков откорректированного профиля сопротивления сверлению, соответствующих прохождению сверлом годичных слоев ксилемы (и/или их участков), расположенных на частях керна. Регрессионные модели взаимосвязи физико-механических свойств древесины частей керна со значениями сопротивления древесины сверлению определяются для одного или нескольких модельных деревьев и могут быть использованы для преобразования данных, полученных на других деревьях ценопопуляции.The technical result is achieved by adjusting the wood resistance profile to drilling by eliminating the values corresponding to the friction of a thin drill bit against the chips and the hole walls, while in the areas of drilling the bark and phloem of the tree (bast), as well as the initial section of drilling the xylem (wood), equal to 10 millimeters, the friction value of the drill shank is equated to zero. A cylindrical core is taken from a growing tree with an increment borer in the radial direction at a distance of 5 or more millimeters from the place of penetration or exit of the thin drill bit from the tree trunk. After appropriate preparation, the core is divided into parts without chips. The physical and mechanical properties of each part of the core are determined: moisture, density, acoustic characteristics and mechanical properties. The values of physical and mechanical properties are compared with the average values of the sections of the corrected drilling resistance profile corresponding to the drill's passage through the annual xylem layers (and/or their sections) located on the core parts. Regression models of the relationship between the physical and mechanical properties of wood in the core parts and the values of wood drilling resistance are determined for one or several model trees and can be used to transform the data obtained on other trees of the cenopopulation.
Определение физико-механических свойств древесины в растущем дереве включает выбор модельного дерева (деревьев), измерение высоты дерева, диаметра ствола, акустических характеристик древесины, например, скорости прохождения ультразвука по диаметру и высоте ствола и измерение профиля сопротивления древесины сверлению с последующим изъятием цилиндрического керна приростным буравом в радиальном направлении на расстоянии 5 и более миллиметров от места внедрения или выхода тонкого бурового сверла из ствола дерева. Профиль сопротивления древесины сверлению, как и предшествующие ему измерения высоты, диаметра и акустических характеристик древесины, для растущего дерева может быть получен неограниченное число раз на любой высоте относительно шейки дерева в радиальном и тангенциальном направлениях относительно направления волокон и в любом направлении относительно сторон света.Determination of the physical and mechanical properties of wood in a growing tree includes selection of a model tree (trees), measurement of the tree height, trunk diameter, acoustic characteristics of wood, for example, the speed of ultrasound transmission along the diameter and height of the trunk and measurement of the profile of resistance to drilling of wood with subsequent removal of a cylindrical core with an increment borer in the radial direction at a distance of 5 or more millimeters from the point of penetration or exit of a thin drill bit from the tree trunk. The profile of resistance to drilling of wood, as well as the preceding measurements of the height, diameter and acoustic characteristics of wood, for a growing tree can be obtained an unlimited number of times at any height relative to the neck of the tree in the radial and tangential directions relative to the direction of the fibers and in any direction relative to the cardinal directions.
Профиль сопротивления сверлению, являющийся зависимостью числовых энергосиловых и/или скоростных данных процесса сверления от глубины проникновения тонкого бурового сверла, для растущих деревьев может быть разделен на четыре основных участка: начальный участок (№1), являющийся участком просверливания коры и прилегающей к ней флоэмы, основной участок (№2), являющийся участком просверливания ксилемы, последующий участок (№3), который также является участком просверливания коры и ксилемы, но с противоположной стороны дерева и участок (№4) максимального трения хвостовика тонкого бурового сверла при выходе его режущей части из дерева (фиг. 1). При просверливании коры и флоэмы на первом и третьем участках согласно профилю сопротивления сверлению, представленном на фиг. 1, трение хвостовика тонкого бурового сверла может быть приравнено нулю. Основой для принятия данной гипотезы является низкая плотность и прочность, а также высокая пористость данных тканей растущего дерева по сравнению с ксилемой. Конструкция режущей части тонкого бурового сверла, имеющая больший диаметр по сравнению с диаметром его хвостовой части, позволяет отнести усилия трения по режущей части к общим усилиям резания при сверлении. Трение хвостовика тонкого бурового сверла о стружку и стенки отверстия, с учетом средней длины режущей части сверла в 10 миллиметров, предлагается учитывать с глубины сверления 10 миллиметров от точки начала просверливания ксилемы (точка начала сверления участка 2 на фиг. 1).The drilling resistance profile, which is the dependence of the numerical energy-force and/or speed data of the drilling process on the penetration depth of a thin drill bit, for growing trees can be divided into four main sections: the initial section (No. 1), which is the section of drilling through the bark and adjacent phloem, the main section (No. 2), which is the section of drilling through the xylem, the subsequent section (No. 3), which is also the section of drilling through the bark and xylem, but from the opposite side of the tree, and the section (No. 4) of maximum friction of the shank of the thin drill bit when its cutting part exits the tree (Fig. 1). When drilling through the bark and phloem in the first and third sections, according to the drilling resistance profile shown in Fig. 1, the friction of the shank of the thin drill bit can be equated to zero. The basis for accepting this hypothesis is the low density and strength, as well as the high porosity of these tissues of a growing tree compared to xylem. The design of the cutting part of a thin drill bit, which has a larger diameter compared to the diameter of its tail, allows us to attribute the frictional forces along the cutting part to the total cutting forces during drilling. The friction of the shank of a thin drill bit against the chips and the walls of the hole, taking into account the average length of the cutting part of the drill of 10 millimeters, is proposed to be taken into account from a drilling depth of 10 millimeters from the point of starting to drill xylem (the point of starting to drill section 2 in Fig. 1).
С учетом вышесказанного, предлагается новая, уточненная методика корректировки профиля сопротивления древесины сверлению для растущих деревьев (фиг. 1). На графике профиля сопротивления сверлению, где ось Y - сопротивление сверлению, ось X - глубина сверления, отмечаются точки начала и завершения сверления ксилемы дерева (участок 2). Далее профиль корректируется путем исключения данных, соответствующих трению хвостовика тонкого бурового сверла, величина которого определяется по графику линейного уравнения, проходящего через точки с координатами: X1 - начало сверления ксилемы плюс 10 миллиметров, Y1=0 и X2 - окончание сверления ксилемы, Y2 - величина трения хвостовика сверла при его выходе из ствола дерева (максимальное трение хвостовика). Трение хвостовика сверла до точки (X1, Y1) приравнивается нулю, а после точки (X2, Y2) величине трения хвостовика сверла при его выходе из ствола дерева. Пример корректировки профиля изменения сопротивления сверлению представлен на фиг. 1. В случае отсутствия трения хвостовика сверла при выходе из ствола дерева корректировку профиля сопротивления сверлению производить не требуется.Taking into account the above, a new, refined method for adjusting the profile of wood resistance to drilling for growing trees is proposed (Fig. 1). On the graph of the profile of resistance to drilling, where the Y axis is the resistance to drilling, the X axis is the drilling depth, the points of the beginning and end of drilling of the tree xylem are marked (section 2). Then the profile is adjusted by excluding the data corresponding to the friction of the shank of a thin drill bit, the value of which is determined from the graph of a linear equation passing through the points with the coordinates: X 1 - the beginning of drilling of the xylem plus 10 millimeters, Y 1 = 0 and X 2 - the end of drilling of the xylem, Y 2 - the value of friction of the drill shank when it exits the tree trunk (maximum friction of the shank). The friction of the drill shank before the point (X 1 , Y 1 ) is equal to zero, and after the point (X 2 , Y 2 ) to the value of friction of the drill shank when it exits the tree trunk. An example of adjusting the profile of change in drilling resistance is shown in Fig. 1. In the case of no friction of the drill shank when exiting the tree trunk, it is not necessary to adjust the profile of drilling resistance.
Далее от изъятого керна (кернов) в лабораторных условиях отделяется кора и флоэма, керн делится бесстружечно на части. Каждая часть керна может состоять из одного или нескольких годичных слоев и/или участков годичных слоев. Для каждой части керна определяются физико-механические свойства, такие как влажность, плотность, акустические свойства, например, скорость прохождения ультразвука, и прочность, например, на сжатие или скалывание вдоль волокон. Значения физико-механических свойств частей керна сопоставляются со средними значениями участков откорректированного профиля сопротивления сверлению, соответствующих просверливанию тех же годичных слоев (или их частей), из которых состоит часть керна. По значениям средних величин сопротивления древесины сверлению и физико-механических свойств кернов и/или их частей определяются регрессионные модели взаимосвязи данных параметров, при использовании которых, получаемые профили сопротивления древесины сверлению могут быть преобразованы в профили изменения физико-механических свойств. Регрессионные модели могут быть получены для одного или нескольких модельных деревьев и в последующем использованы для преобразования профилей сопротивления сверлению в профили изменения физико-механических свойств для других деревьев ценопопуляции.Next, the bark and phloem are separated from the extracted core(s) in laboratory conditions, and the core is divided into parts without chips. Each part of the core may consist of one or more annual rings and/or sections of annual rings. For each part of the core, the physical and mechanical properties such as moisture content, density, acoustic properties, such as ultrasound velocity, and strength, such as compression or shear strength along the fibers, are determined. The values of the physical and mechanical properties of the core parts are compared with the average values of the sections of the corrected drilling resistance profile corresponding to drilling of the same annual rings (or parts thereof) of which the core part consists. Based on the values of the average values of wood drilling resistance and the physical and mechanical properties of the cores and/or parts thereof, regression models of the relationship between these parameters are determined, using which the obtained profiles of wood drilling resistance can be transformed into profiles of changes in physical and mechanical properties. Regression models can be obtained for one or more model trees and subsequently used to transform drilling resistance profiles into profiles of changes in physical and mechanical properties for other trees in the cenopopulation.
Данный способ позволяет с высокой точностью, без значимого воздействия на жизнеспособность деревьев, определить изменение физико-механических свойств древесины по радиусу и высоте ствола, а также в пределах годичных слоев древесины растущего дерева.This method allows, with high accuracy and without significant impact on the viability of trees, to determine the change in the physical and mechanical properties of wood along the radius and height of the trunk, as well as within the annual layers of wood of a growing tree.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-16-00220, https://rscf.ru/project/23-16-00220/.The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-16-00220, https://rscf.ru/project/23-16-00220/.
Используемые аналоги и прототипы:Used analogues and prototypes:
1. Способ сравнительного испытания древесины: пат. 2522862 Рос. Федерация: G01N 33/46 / Колесникова А.А., Федорова А.А., Мазуркин П.М. - №2012133089/15; заявл. 01.08.2012; опубл. 20.07.2014.1. Method for comparative testing of wood: patent 2522862 Russian Federation: G01N 33/46 / Kolesnikova A.A., Fedorova A.A., Mazurkin P.M. - No. 2012133089/15; declared 01.08.2012; published 20.07.2014.
2. Gao S., Wang X., Wiemann M.C., Brashaw B.K., Ross R.J., Wang L. (2017) A critical analysis of methods for rapid and nondestructive determination of wood density in standing trees. Annals of Forest Science, DOI:doi.org/10.1007/s13595-017-0623-4.2. Gao S., Wang X., Wiemann M.C., Brashaw B.K., Ross R.J., Wang L. (2017) A critical analysis of methods for rapid and nondestructive determination of wood density in standing trees. Annals of Forest Science, DOI:doi.org/10.1007/s13595-017-0623-4.
3. Sharapov E., Wang X., Smirnova E. (2017) Drill bit friction and its effect on resistance drilling measurements in logs. In: Proceedings of the 20th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium, 12-15 September 2017, USDA Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, WI, pp. 405-415,3. Sharapov E., Wang X., Smirnova E. (2017) Drill bit friction and its effect on resistance drilling measurements in logs. In: Proceedings of the 20th International Nondestructive Testing and Evaluation of Wood Symposium, 12-15 September 2017, USDA Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, WI, pp. 405-415,
4. Sharapov E., Brischke C., Militz H., Smirnova E. (2019) Prediction of modulus of elasticity in static bending and density of wood at different moisture contents and feed rates by drilling resistance measurements. European Journal of Wood and Wood Products 77(5):833-842, DOI:doi.org/10.1007/s00107-019-01439-2.4. Sharapov E., Brischke C., Militz H., Smirnova E. (2019) Prediction of modulus of elasticity in static bending and density of wood at different moisture contents and feed rates by drilling resistance measurements. European Journal of Wood and Wood Products 77(5):833-842, DOI:doi.org/10.1007/s00107-019-01439-2.
Фиг.1 График изменения сопротивления древесины сверлению и трения хвостовика тонкого бурового сверла по диаметру дерева с участками просверливания: 1 - кора и флоэма (луб) при вхождении сверла в дерево, 2 - просверливание ксилемы (древесины), 3 - флоэма и кора при выходе сверла из дерева, 4 - максимальное трение хвостовика тонкого бурового сверла о стружку и стенки отверстии при выходе сверла из дерева. Определение участков профиля сопротивления древесины сверлению (средних значений участков профиля сопротивления) с частями керна. Точка (X1+10, Y1=0) - начало трения и точка (X2, Y2) - окончание трения хвостовка тонкого бурового сверла о стружку и стенки отверстия. Fig. 1 Graph of change in wood resistance to drilling and friction of thin drill bit shank along tree diameter with drilling sections: 1 - bark and phloem (bast) when drill enters tree, 2 - drilling xylem (wood), 3 - phloem and bark when drill exits tree, 4 - maximum friction of thin drill bit shank against shavings and hole walls when drill exits tree. Determination of sections of wood resistance profile to drilling (average values of resistance profile sections) with core parts. Point (X 1+10 , Y 1 =0) - start of friction and point (X 2 , Y 2 ) - end of friction of thin drill bit shank against shavings and hole walls.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2830704C1 true RU2830704C1 (en) | 2024-11-25 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2144185C1 (en) * | 1998-01-15 | 2000-01-10 | Марийский государственный технический университет | Method for testing of wood of growing trees |
| WO2001023878A1 (en) * | 1999-09-30 | 2001-04-05 | Perceptron, Inc. | System and method of assessing the structural properties of wooden members using ultrasound |
| RU2522862C2 (en) * | 2012-08-01 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Поволжский государственный технологический университет | Method of comparative timber test |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2144185C1 (en) * | 1998-01-15 | 2000-01-10 | Марийский государственный технический университет | Method for testing of wood of growing trees |
| WO2001023878A1 (en) * | 1999-09-30 | 2001-04-05 | Perceptron, Inc. | System and method of assessing the structural properties of wooden members using ultrasound |
| RU2522862C2 (en) * | 2012-08-01 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Поволжский государственный технологический университет | Method of comparative timber test |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gao et al. | A critical analysis of methods for rapid and nondestructive determination of wood density in standing trees | |
| Wessels et al. | A review of measurement methods used on standing trees for the prediction of some mechanical properties of timber | |
| US6889551B2 (en) | Method of estimating timber stiffness profiles | |
| US6308571B1 (en) | Method for determining crook potential in wood | |
| AU2001252798A1 (en) | A method of estimating timber stiffness profiles | |
| Kazemi-Najafi et al. | Internal decay assessment in standing beech trees using ultrasonic velocity measurement | |
| US6769306B2 (en) | Log cutting procedures | |
| RU2144185C1 (en) | Method for testing of wood of growing trees | |
| Yin et al. | Mechanical properties assessment of Cunninghamia lanceolata plantation wood with three acoustic-based nondestructive methods | |
| Zhou et al. | Acoustic Testing and Sorting of Chinese Poplar Logs for Structural LVL Products. | |
| RU2830704C1 (en) | Method for determining physical and mechanical properties of wood of growing trees | |
| WO2016075641A1 (en) | Evaluating trees and tree stems and/or logs | |
| Villasante et al. | Methodology for stiffness prediction in structural timber using cross-validation RMSE analysis | |
| Mäkipää et al. | A non-destructive field method for measuring wood density of decaying logs | |
| Krajnc et al. | The use of ultrasound velocity and damping for the detection of internal structural defects in standing trees of European beech and Norway spruce | |
| Larson et al. | Evaluation of small-diameter ponderosa pine logs in bending | |
| Fedyukov et al. | Biomorphology of spruce trees as a diagnostic attribute for non-destructive selection of resonant wood in a forest | |
| US20070156353A1 (en) | Methods for adjusting stress wave velocity-based predictions of lumber stiffness and warp propensity of a timber-based raw material group | |
| Bertoldo et al. | Influence of measurement position, tree diameter, and bulk wood density on models that predict wave propagation velocity in logs according to the velocity in trees | |
| Fedyukov et al. | Method for express diagnostics of resonant properties of wood aged in buildings | |
| Prins | Non-destructive methods for predicting sawn lumber properties from young, standing Eucalyptus grandis and Eucalyptus grandis X urophylla trees. | |
| Denzler et al. | Property relationships between spruce logs and structural timber | |
| Borghese et al. | Sustainable assessment: a contribution to improve the reliability of ndt on old chestnut purlins | |
| Yin et al. | Predicting wood quality of green logs by resonance vibration and stress wave in plantation-grown Populus× euramericana | |
| PEI et al. | Quality assessment of Norway spruce standing trees through non-destructive methods and techniques. |