Переработка короткомеров осины на дранку в условиях лесопромышленного склада

Осина является одной из лесообразующих, быстро растущих, и легко размножающихся пород. Уже на второй год коневые отпрыски и пневая поросль позволяют занимать ей свободные площади на вырубках. Запасы осиновой древесины составляют 2.6 млрд. м3, а ежегодный прирост в насаждениях первого класса составляет 2,9…3,9 м3 с га. Тем не менее, осина всегда имела ограниченный спрос, как на внутреннем, так и на внешнем рынке [1; 4] по причине малого выхода пиломатериалов. В настоящее время ее применение в строительстве очень часто ограничивается производством древесно-стружечных плит и отделкой помещений с высокой влажностью.

Как показали последние исследования СПбГЛТА, решением проблемы использования осины является ее комплексная переработка, направленная на производство строительных материалов на базе безотходной экологически чистой первичной переработки древесины, целлюлозы, гранулированных и брикетированных топливных элементов [1; 9; 12].

Одним из целевых строительных материалов может стать деревянная черепица или дранка, получившая широкое распространение в России в качестве кровельного материала начиная с середины XIX века [8]. В настоящее время применение осиновой дранки в качестве подвергается многочисленным сомнениям [2]. Если заказчик и решается на устройство архитектурно-выразительной, экологичной деревянной крыши, то используются более дорогие древесные породы, такие как кедр или сибирская лиственница [17]. Тем не менее, интерес к применению осиновой дранки не исчезает, что обусловлено ее уникальными свойствами, которыми обладает эта древесина.

С течением времени, в условиях атмосферной сушки, осина набирает прочность – древесина «каменеет». В таком состоянии кровельное покрытие способно выдерживать природно-климатические изменения – воздействие солнца, ветра, перепадов температур и увлажнения. В случае проникновения влаги в толщу материала он быстро высыхает ввиду небольшой толщины отдельных элементов и хорошей циркуляции воздуха между ними [8; 16; 17]. Срок службы такой кровли при правильном конструктивном исполнении и поддерживании правильных условий эксплуатации может достигать 80 лет [8]. Но как любая деревянная конструкция, драночная кровля может быть подвержена возгоранию. Кроме того, отличается трудоемкостью при изготовлении, ремонте и демонтаже (в случае пожара). Поэтому одним из возможных путей развития технологий использования осины может стать разработка кровельных щитовых панелей на основе дранки и древесно-стружечных плит с предварительной атмосферной сушкой и пропиткой антипиренами. Борьба с возможными биоповреждениями заключается лишь в грамотной эксплуатации, прежде всего в своевременной чистке и ремонте.

Основным сырьем для производства осиновой дранки служат отрезки бревен длиной от 30 см., образующиеся после поперечного раскроя круглых лесоматериалов.

Основы особенностей технологий заготовки осины и ее переработки на дранку, геометрические размеры и другие характеристики являются предметом всестороннего изучения, специалистов, занимающихся непосредственным применением этого материала на практике и узкого круга мастеров в области реставрации исторических деревянных конструкций [4; 19].

В Германии, где деревянные кровли получили широкое распространение, существуют нормы DIN 68119:1996-09, описывающие основные параметры кровель из деревянной черепицы, формы, инструменты, способы монтажа. В этих нормах уделяется отдельное внимание и самой древесине. Так, к примеру, угол наклона годовых колец к поверхности дощечки (дранки) должен находиться в пределах от 30 до 90 градусов [17; 20], что логично соответствует показателям пиломатериалов при радиальном и полурадиальном разрезе [11; 13] бревен (Рисунок.1).

Рисунок 1. а - допустимое (а) и недопустимое (б) положение годовых колец по отношению к поверхности дранки.

Указанные виды разрезов, в отличие от тангенциального, являются более предпочтительными, что обусловлено большей формоустойчивостью изделий, так как усушка и разбухание при изменении температурно-влажностных показателей происходят преимущественно в радиальной плоскости [11].

Элементы дранки, находящиеся на поверхности покрытия, вследствие атмосферных осадков, испытывают периодическое воздействие влаги. При намокании дощечки разбухают и смыкаются, образуя водонепроницаемую поверхность. При высыхании снова размыкаются, не позволяя влаге скапливаться в подкровельном пространстве [16].

Таким образом, для производства качественной дранки, применение которой допустимо в качестве кровельного материала, необходимо использовать отрезки бревен длиной 30-50 см., диаметром от 20 см, в меньшей степени подверженные гнили, с небольшой свилеватостью и минимальным количеством сучков. Это позволит получить дощечки по направлению радиального разреза («раскола») требуемой ширины 80-120 мм.

3.    Результаты

Переработка осины - комплексный процесс. Использование ее древесного сырья для производства кровельных материалов, полученного при проведении рубок ухода или разработке делянок в лесах целевого назначения, может быть организовано на базе лесопромышленного склада или деревоперерабатывающего предприятия, случае, когда хлысты (или деревья) вывозятся непосредственно на склады потребителей.

Если из-за дальности перевозок непосредственная доставка леса оказывается экономически нецелесообразной и лесопромышленные склады лесозаготовительных предприятий преобразуются в небольшие лесопромышленные комплексы, то производство дранки может быть организовано в рамках частичной переработки древесины, на базе мобильной системы машин [10].

В общем случае производство дранки встраивается в технологических процесс по переработке низкокачественной древесины и короткомеров, образующихся после первичной обработки хлыстов, на дрова или в щепу (Рисунок.2). При этом возможна организация дополнительного участка по переработке древесины осины в дранку.

Рисунок 2. Типовая структурная схема технологического процесса лесопромышленного склада, дополненная группой операций по производству дранки

На данном участке поступающие коротье или сортименты невостребованной осины сортируются по степени поражения сердцевинной гнилью. Выбранные заготовки при необходимости пилят под один размер от 30-50 см.

Далее происходит раскалывание заготовок на 4-8 частей, для чего используются механические колуны. Лезвие в форме клина внедряется в древесину с торца, перемещаясь вдоль волокон. В колунах с подвижным клином последний может совершать поступательно-возвратное движение от кривошипно-шатунного механизма [6].

В целях повышения эффективности раскалывания заготовок представляется возможным использование колуна с лезвием искривлённой формы (Рисунок. 3). Функционирование такого колуна сопровождается появлением пары сил, которая вызывает кручение раскалываемого полена вокруг его продольной оси. В соответствии с принципом равенства действия и противодействия такая же пара сил стремится вызвать поворот лезвия колуна в противоположном направлении. Однако лезвие в нижней его части защемлено в материале полена и поэтому поворот лезвия невозможен. В этом случае под воздействием крутящего момента разрушается менее прочный материал, т.е. древесина раскалываемого полена. Таким образом, данный колун, на конструкцию которого была подана патентная заявка, обеспечивает дополнительное к расклиниванию, механическое воздействие в виде кручения.

Похожая конструкция, но на основе двух зеркально противоположных и смещенных относительно друг друга клиньев, была предложена авторами механического колуна по патенту РФ № 2486052 [18].

Примечательно, что такая форма лезвия, при соответствующей доработке, может быть применена не только в устройстве гидравлического или механического колуна, но и в обычном топоре.

Рисунок 3. Схема раскола короткомерного баланса:

а – колуном обычной формы; б – колуном искривленной формы.

С учетом описанных выше требований к изготавливаемой дранке (2; 19) и необходимостью рационального использования имеющегося сырья, возникает задача оптимального раскроя имеющихся заготовок с целью максимального выхода полезной продукции из одного сортимента. Разделка короткомеров производится по сегментам. После разделения заготовок на несколько частей (сегментов) выкалывается гниль, расположенная преимущественно в центральной части ствола. Для удаления гнили используется плоский горизонтально расположенный или кольцеобразный нож [6]. Полученные таким образом сегменты подвергаются строганию или лущению с целью получения непосредственно кровельного материала – дранки [2]. Для осуществления этой технологической операции могут быть использованы несколько видов инструментов и механических устройств [7]. В настоящее время они используются только узким кругом реставрационных и строительных организаций, ориентированных на ремонт существующих кровель объектов деревянного зодчества или малоэтажное деревянное домостроение.

Наиболее распространен станок конструкции С.А. Вавилова, запатентованный в 1947 году. Принцип его действия основан на движении каретки с ножом под заготовкой с помощью возвратно-поступательных движений. Готовая дранка падает вниз, а заготовка удерживается над кареткой с подпружинивающими пластинами. Сам станок приводится в действие двигателем посредством ременной передачи, передающим воздействие на шкив через вращающиеся маховики (Рисунок.4).

Класс 38i, 2

№ (>8634

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

С. А. Вавилов

Станок ДЛЯ изготовления драни

.■(аяюкж н февраля 1940 го,ы в Народный кшшееариат по стреителыяВу СССР за № 2967 (343J10) с присоединением икики № 494 (346771)

Опубликовано 30 нюня 1947 года

Станки для изготовления драни е применением расположенной Иод заготовкой каретки с ножом, получающей возвратно-поступательное движение, известны,

Отличительная особенность предлагаемого станка состоит в том, что н нем для поддержания заготовки снизу с возможностью падения вниз отщепленной драни применены под заготовкой три пары поворотных подпружиненных пластин, отводимых из-под заготовки пальцами, укрепленными на каретке с ножом. При таком устройстве отщепляемая дранка имеет возможность падать вниз, хотя заготовка все время поддерживается снизу. Для удерживания заготовки от движения вперед И назад по ходу нижа предусмотрены передний и задний упоры.

На фиг. I, 2 и 3 изображен Вил станка сбоку, спереди и сверху.

Станок приводится в действие мотором посредством ременной передачи, сообщающей шкиву J (фиг. 2) вращение в направлении, указанном на фиг 1 стрелкой. На одном валу со шкивом у укреплены маховики 2, при вращении которых пальцы О

(фиг. 1, 2 н 3) увлекают за собой шатуны 6', приводящие в возвратпо-поступательное движение каретку 4 с ножом 13. Предназначенная для расщепления на дрань заготовка 14 (бревно-коротыш, пластина, брус. Полено и т. д.) свободно укладывается в ражу станины, образованную нижними и верхними направляющими, а также передним к задним упорами

Заготовка после каждого отщепления драни опускается на толщину последней и, посылаемая ножом вперед, будет концом упираться в каждый следующий. расположенный ниже ступенчатый острый выступ упора 10, Таким образом, автоматически обеспечивается необходимое закрепление (зажим) переднего конца расщепляемой заготовки.

Для поддержания задние конца заготовки в задней части станины укрепляется кронштейн 15 (фиг. I), вверху которого на оси может свободно вращаться стрелка 72 с раздвоенным острием, свободно опирающимся на заготовку 14. При обратном своем движении каретка 7 катятся по нижней плоскости заготовки

при помощи ролика 16, выступающего выше плоскости ножа (фиг, 3).

В процессе расщепления заготовки и уменьшения ее высоты стрела /2 будет все более приближаться к вертикальному положению и, компенсируя уменьшение неса расщепляемого элемента, все в большей степени будет препятствовать поднятию заготовки. Таким образом, передний упор в сочетании с задним обеспечивают автоматический прижим расщепляемой заготовки. препятствуя ее подъему В процессе отщепления драни и движению назад. В крайнем сноем положении стрела 12 становится отвесно, причем ее острия должны быть выше плоскости ножа на величину несколько меньшую толщины драни.

Каретка 4 с ножом 13 перемещается в направляющих станины. В крайнем заднем положении каретки нож выходит за задний упор. При этом подпружиненные пластины 5 повернуты, и заготовка лежит на подпружиненных пластинах б и 7 ниже плоскости ножа на толщину Драни

При движении каретки вперед нож, проходя под задним упором. встречает на своем пути заготовку и отщепляет от нее установленной толщины дрань. Проходя далее, каретка освобождает пластины 5. последние под действием пружин возвращаются я исходное положение и подхватывают заготовку.

При дальнейшем движении каретки идущие впереди ножа 13 пальцы 7 встречают пластины 6, поворачивают их и таким образом, во-первых, освобождают на этом участке отщепляемую дрань, предоставляя ей возможность свободного прохода вниз, и во-вторых, создают возможность свободного отщепления драни, поскольку отсутствие ее прижима пластинами 6 обеспечивается беспрепятственное образование щели, идущей впереди ножа. Нож 13 при этом является элементом в меньшей степени срезаюшим (по типу образования стружки), но в большей степени отщепляющим, расклинивающим и регулирующим надлежащую толщину драни.

При продолжающемся движении каретки пластины 6 освобождаются и при помощи пружин также возвращаются в исходное положение. Наконец, когда каретка подходит к пластинам 7, то пальцы 1 поворачивают их, нож проходит до конца расщепляемой заготовки, лежащей в этот момент на поверхности ножа. Отщепленная дрань падает под станок, после чего нож, пройдя еще некоторое расстояние за передний упор, начнет обратное движение Освобожденные при этом пластины 7 возвратятся в исходное положение и подхватят заготовку.

Пластины 6 при обратном движении каретки поворачиваются пальцами 1 на 90°, а затем также возвращаются в исходное положение.

Аналогичным образом поворачиваются и пластины 5. В момент выхода ножа за расщепляемую заготовку н крайнее заднее положение последняя опускается на пластины 6 (пластины 5 при этом удерживаются пальцами 7), т. е. расщепляемая заготовка опускается на толщину драни. Таким образам, автоматически осуществляется отщепление драни с каждым рабочим ходом каретки.

Предмет изобретения

I, Станок для изготовления драни с применением расположенной НОД заготовкой каретки с резцом, получающей возвратно - поступательное движение, отличающийся тем, что для подлержания заготовки снизу и обеспечения возможности падения вниз отщепленной драни применены пол заготовкой поворотные подпружиненные пластины 5, б, 7, для отведения которых из-под заготовки и удерживания в этом положении служат пальцы / на каретке f с ножом 73.

2. Форма выполнения станка по и. I, о т л и ч а ю ш а я с я тем. что для поддержания заготовки сверху применены расположенная по ходу ножа перед заготовкой скоба 10 с зобцами, сзади — неподвижный упор 11 и поворотная стрели 12.

Рисунок 4. Станок для производства дранки 1947 г.

Современные станки являются производными от этой наиболее простой и одновременно производительной конструкции [14].

После получения сегмента путем радиального раскалывания отсортированного и опиленного короткомера становится возможным строгание дранки в радиальном направлении до тех пор, пока размер заготовки по наиболее длинной стороне сечения позволяет получать дощечки требуемой ширины 80-120 мм. Итоговое количество этих дощечек напрямую зависит от размеров перерабатываемого сегмента, а значит и от диаметра разделываемого короткомера, а также от наличия пороков древесины – гнили, сучков, свилеватости. Непосредственно на дранку удается использовать до 40 % древесины осины. Оставшаяся после строгания дранки часть заготовки может быть использована для производства щепы или оставлена в качестве дров.

Известно также, что отходы деревообрабатывающего производства могут достигать 4563%. Задача рационального использования этих отходов в рамках крупных предприятиях лесоперерабатывающего комплекса решается с применением технологий производства плитных материалов, паркета и биотоплива. Но для средних и мелких деревообрабатывающих и деревоперерабатывающих производств такие технологии могут оказаться нерентабельными по причине малой концентрации отходов на каждом отдельном предприятии. Поэтому в задачи производства, сырьевой базой которого являются как отходы и древесина малоценных пород, такая как осина, должен быть включен выпуск материалов и товаров с высокой добавленной стоимостью. На основе дальнейшей глубокой переработки отходов древесины осины могут быть получены, наряду с дранкой [2], нейтронозащитные материалы, детали узлов трения, древесные сорбенты для очистки водных сред [3].

Рисунок 5. Схема раскроя короткомера (автор фото: А. Ю. Борисов).

4.    Обсуждение и заключение

Таким образом, несмотря на низкую товарную значимость древесины осины, возможности ее использования на основании предложенных решений могут быть расширены в области производства экологичных кровельных материалов [2]. Относительная простота этого процесса позволяет встраивать его в схему работы типового лесопромышленного предприятия, независимо от способа ведения лесозаготовок. Группа операций по переработке короткомеров и низкокачественной древесины на дрова и технологическую щепу может быть дополнена процессом лущения или строгания дранки. В свою очередь технология раскалывания обрезков бревен может быть усовершенствована с применением лезвия искривленной формы. Максимального выхода целевого кровельного материала [2] можно добиться с оптимизации раскроя (Рисунок 5). Для повышения технологических и потребительских качеств дранки, представляется возможным разработки и использования панельных конструкций. С учетом изложенного выше, можно заключить, что рациональное использование древесины осины является комплексной проблемой, требующей продолжения исследований.

Работа выполнена рамках реализации комплекса научных мероприятий Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012-2016 г.г.