Определение плотности древесины методом измерения сопротивления сверлению

 

 

 
 
 

В. Ю. ЧЕРНОВ     Е. С. ШАРАПОВ    А. С. ТОРОПОВ 

 
 
 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ  

ДРЕВЕСИНЫ МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ 

СОПРОТИВЛЕНИЯ СВЕРЛЕНИЮ 

 

 

Монография 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

2019 

УДК 630*812:006.9 
ББК 37.11 

Ч 49 

 

Рецензенты: 

д-р биол. наук, профессор, главный научный сотрудник ФГБУ 
«Государственный заповедник «Большая Кокшага» Ю. П. Демаков; 
д-р техн. наук, профессор кафедры транспортно-технологических  
машин и сервиса, Институт лесного комплекса, транспорта и экологии,  
ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно-технологический  
университет» А. Н. Заикин; 
канд. техн. наук, доцент кафедры металлических и деревянных  
конструкций ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный  
архитектурно-строительный университет» В. Е. Бызов  

 

 
 
 
 

Чернов, В. Ю. 

Ч 49   
Определение плотности древесины методом измерения сопротивле
ния сверлению: монография / В. Ю. Чернов, Е. С. Шарапов, А. С. Торопов. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический 
университет, 2019. – 200 с. 
ISBN 978-5-8158-2109-5 

Монография посвящена вопросам совершенствования метода и устройств, осно
ванных на измерении сопротивления сверлению и используемых для оперативной диагностики и контроля качества древесины и древесных материалов. Представлены аналитический обзор устройств и результатов исследований в области диагностики растущих деревьев и деревянных строительных конструкций методом измерения сопротивления сверлению, основы кинематики и режимы сверления древесины тонкими буровыми сверлами, результаты экспериментальных исследований взаимосвязи плотности 
и влажности древесины с сопротивлением древесины сверлению. На основе патентных 
исследований в рамках НИОКР авторами разработан переносной прибор «ResistYX», 
позволяющий повысить точность определения плотности древесины методом измерения сопротивления сверлению.  

Для ученых и специалистов-практиков, исследователей в области лесного хозяй
ства, деревопереработки и строительства, занимающихся изучением хода роста, 
определением пороков в растущих деревьях и лесоматериалах, прогнозированием 
объемного-качественного выхода пилопродукции, мониторингом технического состояния зданий и сооружений. Может использоваться в учебном процессе и научноисследовательской работе аспирантов и магистрантов. 

УДК 630*812:006.9 

ББК 37.11 

 

ISBN 978-5-8158-2109-5 
© В. Ю. Чернов, Е. С. Шарапов,  
А. С. Торопов, 2019 
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
Предисловие ...................................................................................... 5 
 
Введение ............................................................................................ 8 

Актуальность темы исследования .................................................... 8 
Об основных методах и устройствах определения 
плотности древесины ..................................................................... 10 
Постановка цели и задач работы ................................................... 17 
Основные методы и подходы ......................................................... 19 

 
Глава 1. Метод измерения сопротивления сверлению  
(метод сверления) ......................................................................... 21 

1.1. История разработки метода и устройств ........................... 21 
1.2. Анализ способов и устройств диагностики древесины  
и древесных материалов ........................................................... 23 
1.3. Аналитический обзор исследований в области  
диагностики древесины и древесных материалов .................. 37 

 
Глава 2. Теоретические исследования процесса сверления  
древесины тонким буровым сверлом ...................................... 44 

2.1. Влияние физико-механических свойств  
на процессы резания древесины .............................................. 44 
2.2. Кинематика процесса .......................................................... 45 
2.3. Режимы сверления древесины .......................................... 53 

 
Глава 3. Разработка устройства для диагностики  
древесины сверлением ................................................................ 68 

3.1. Морфологические исследования устройств  
диагностики древесины и древесных материалов .................. 68 

3.1.1. Общие сведения о морфологическом  
методе исследований............................................................ 68 
3.1.2. Разработка морфологической классификации  
методов и технических решений, используемых  
при определении свойств древесины и древесных  
материалов в процессе механической обработки .............. 69 
3.1.3. Классификация устройств диагностики древесины  
и древесных материалов сверлением ................................. 70 

3.2. Синтез технических решений ............................................. 72 
3.3. Экспериментальное устройство для исследования  
свойств древесины ..................................................................... 83 

 

Глава 4. Экспериментальные исследования процесса  
сверления древесины тонким буровым сверлом ................... 106 

4.1. Закономерности изменения свойств древесины  
и энергосиловых параметров сверления ............................... 106 
4.2. Влияние плотности древесины на процесс  
сверления тонким буровым сверлом ...................................... 117 
4.3. Влияние влажности древесины на процесс  
сверления тонким буровым сверлом ...................................... 128 

 
Глава 5. ResistYX  устройство для экспресс-диагностики  
и определения плотности древесины ..................................... 135 

5.1. Общие сведения об устройстве ....................................... 136 
5.2. Исследование точности определения плотности  
древесины методом сверления ............................................... 139 
5.3. Конструктив ........................................................................ 144 
5.4. Алгоритм работы ResistVIEW ........................................... 148 
5.5. Основные технические характеристики ResistYX ........... 150 

 
Заключение  ................................................................................... 152 
 
Словарь терминов ......................................................................... 158 
 
Список литературы ........................................................................ 165 
 
Приложения .................................................................................... 179 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

 

Уважаемый читатель! 
 
Мы подготовили данную книгу для Вас как для человека, инте
ресующегося научными и инновационными достижениями в области диагностики и исследования свойств древесины, и хотим познакомить Вас с относительно новым методом диагностики древесины растущих деревьев и деревянных строительных конструкций – 
методом измерения сопротивления сверлению (далее – методом 
сверления). 

Древесина – уникальный материал, не утративший свою значи
мость и сегодня. Не так давно, а точнее – в XX веке, древесина 
широко применялась практически во всех отраслях народного хозяйства. В этот период не было материала, который превосходил 
бы древесину по всем характеристикам и был бы способен заменить её.  

Когда мы называем древесину «уникальным материалом», то, 

во-первых, имеем в виду сочетание её высоких механических 
свойств и небольшой массы (плотности), что связано с её сложным 
макро- и микроскопическим строением. Во-вторых, мы имеем в 
виду её абсолютную экологичность. И в-третьих, если рассматривать данный материал как природный ресурс, нельзя не учитывать 
его такое важное качество, как возобновляемость. 

Одним из главных свойств древесины является плотность. Дан
ный параметр находится в тесной связи cо множеством других характеристик, например, с прочностью, твердостью, упругостью и 
т.п., то есть с механическими; с акустическими свойствами и т.д.  

За всю историю становления наук о древесиноведении, механи
ческой и химической переработке древесины разработано немало 
методов и устройств для её диагностики и оценке свойств. В старой 
и современной литературе Вы найдете свыше десятка методов и 
устройств для определения плотности древесины и увидите, что 

каждый из них обладает рядом и достоинств, и недостатков. Однако 
здесь мы не будем подробно останавливаться на их анализе, так как 
их аналитический обзор представлен в самой работе. 

Предлагаемая же Вашему вниманию монография посвящена 

изучению и совершенствованию метода и устройств для измерения сопротивления сверлению, которые в последние годы стали 
известны и востребованы при диагностике древесины. Сюда относятся известные во всем мире системы «Resistograph»® научнопроизводственной компании «RINNTECH»® (г. Гейдельберг, Германия) и «IML-Resi» компании «IML» GmbH (г. Вислох, Германия). 
Основная часть книги посвящена обширному аналитическому обзору устройств и экспериментов в области диагностики растущих 
деревьев и деревянных конструкций сверлением, теоретическим 
изысканиям по исследованию кинематики и режимов сверления 
древесины тонкими буровыми сверлами, экспериментальным исследованиям по установлению влияния плотности и влажности 
древесины на процесс сверления тонкими буровыми сверлами – 
режущий инструмент, используемый в названных выше системах. 

Итогом выполненной научно-исследовательской и опытно-кон
структорской работы, результаты которой представлены в настоящей монографии, стал инновационный продукт – переносной прибор «ResistYX». Это первое устройство, основанное на методе 
сверления, которое позволяет с высокой точностью определять 
плотность древесины в любой её локальной области и представлять исследователю величину плотности в стандартной единице 
измерения [кг/м3]. 

Материал, представленный в этой книге, есть результат весо
мого объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских 
работ, выполнявшихся с 2010 по 2015 годы на базе Поволжского 
государственного технологического университета, г. Йошкар-Ола 
(Россия); университета Георга-Августа (Georg-August University), г. 
Гёттинген (Германия); Лаборатории лесной продукции (Forest 
Products Laboratory), г. Мэдисон (США); ООО «НовЛесТех», Республика Марий Эл, пос. Лесной.  

Реализация работ стала возможна за счет поддержки грантами 

Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научнотехнической сфере по программам «УМНИК» № 9628р/14235 и 
«УМНИК на СТАРТ» № 12507р/23944.  

По данной тематике авторами опубликовано более 20 научных 

работ, в том числе 8 статей в журналах из перечня ВАК; получено 
6 патентов на изобретения и полезные модели Российской Федерации; защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, подготовлена докторская диссертация. 

Авторский коллектив выражает благодарность всем едино
мышленникам и коллегам, кто на разных этапах принимал участие 
в наших исследованиях и оказывал всяческую поддержку успешному выполнению работ. 

Мы будем рады получить отзывы о книге, которые можно отпра
вить по адресу: 424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина 3. Поволжский 
государственный технологический университет, кафедра стандартизации, сертификации и товароведения, или по электронной почте: chernovvy@volgatech.net / sharapoves@volgatech.net. 

 
 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 

 

Древесина является природным органическим растущим мате
риалом и, как все живые материалы, она имеет свои свойства, которые зависят от условий произрастания, от действия природных 
и техногенных сил и болезней (Перелыгин и др. 1971). У древесины 
наблюдаются изменчивость свойств, неоднородность строения, 
анизотропия, наличие пороков (ГОСТ 2140-81), способность усыхать и разбухать, коробиться и растрескиваться, загнивать и возгораться. Всё это негативно влияет на качество выпускаемой продукции при механической обработке (Panshin и др. 1980). Решение 
вопросов точного определения строения и изменчивости свойств 
древесины, своевременного выявления пороков позволит наиболее рационально и безопасно использовать её в различных областях народного хозяйства.  

Наиболее значимое развитие отечественная наука о строении 

и свойствах древесины получила с 20-х годов прошлого века. Исследованиями свойств древесины занимались Центральный 
научно-исследовательский институт механической обработки древесины (ЦНИИМОД), Всесоюзный институт авиационных материалов (ВИАМ), Институт леса Национальной академии наук Беларуси (Институт леса НАН Беларуси), Московский государственный 
университет леса (МГУЛ). Большой вклад в изучение физико-механических свойств древесины внес Б. Н. Уголев. Плотность и пороки древесины подробно исследовал О. И. Полубояринов. Значительный вклад в развитие отечественного древесиноведения 
внесли С. И. Ванин и Л. М. Перелыгин. В последующие годы исследованиями физических и механических свойств этого материала в различных аспектах занимались: П. С. Серговский – работы 
по гидротермической обработке, Б. С. Чудинов – по влажностным 

свойствам древесины, Л. С. Исаев – по плотности. Исследованиям 
в области неразрушающего ультразвукового контроля древесины 
и определения ее акустических свойств посвящены работы 
И. И. Пищика, В. И. Федюкова. 

Среди множества физико-механических свойств древесины 

многие исследователи (Полубояринов 1971; Уголев 2001; Торопов 
2006; Волынский 2006; Forest Products Laboratory 2010; Чернов 
2011; Kasal и др. 2010; Le Naour и др. 1991; Mattheck и др. 1993; 
Sharapov и др. 2019) выделяют один, наиболее важный и основной 
параметр  плотность древесины. 

Б. Н. Уголев (2001) даёт положительную оценку возможности 

использования показателей макроструктуры и плотности для определения прочности древесины. Также он констатирует, что наиболее тесную связь с пределами прочности при основных видах действия сил имеет плотность. Однако, по мнению автора, плотность 
может быть достаточно надёжным признаком только у древесины 
без пороков. Такие пороки, как сучки, трещины и т.п. незначительно снижают плотность, при этом существенно уменьшается 
прочность древесины (Торопов 2006; Торопов 2008; Уголев 1966). 
Это утверждение справедливо при определении средней плотности древесины. Не исключено, что существует более высокая корреляция прочности и плотности в менее твёрдых и плотных локальных областях древесины. 

По мнению О. И. Полубояринова (1973), плотность как показа
тель качества древесины имеет ряд неоспоримых преимуществ 
перед всеми другими характеристиками: пороками (Манжос 1974), 
шириной годичного кольца (Heiskanen 1954; Siimes 1952), процентом поздней древесины (Heiskanen 1954), которые имеют существенные недостатки (Dadswell 1959; Hakkila 1968; Siimes 1952). 
Однако здесь же он выделяет проблемы, связанные с показателем 
плотности. К числу важнейших вопросов «плотности древесины» 
он относит: 

 методы определения; 
 исследование её изменения; 

 изучение плотности нестволовой древесины; 
 связь между плотностью и физико-механическими свой
ствами; 

 влияние плотности древесного сырья на качество важнейших 

продуктов, получаемых из древесины. 

 
По результатам анализа отечественной и зарубежной научной 

литературы определение взаимосвязей плотности древесины с 
деформативностью, прочностными, технологическими и другими 
физическими свойствами часто становилось объектами исследований (Kollman и Cote 1968; Ивановский 1975; Полубояринов 1976; 
Niemz и Sonderegger 2003; Уголев 2005; Волынский 2006; Forest 
Products Laboratory 2010; Мелехов и др. 2013 и др.). Разработаны 
новые и усовершенствованы существующие методы и средства 
косвенного определения плотности на основе неразрушающих и 
квазинеразрушающих испытаний (Ross и др. 2004; Niemz и Mannes 
2012; Riggio и др. 2012; Tannert и др. 2014; Kloiber и др. 2015; Vössing и Niederleithinger 2018). 

Здесь следует отметить, что с 70-х годов прошлого века по 

настоящее время в России и за рубежом было выполнено множество исследований по определению корреляции и нахождению зависимостей физико-механических свойств древесины от плотности. С того времени также разработан не один десяток приборов и 
инструментов для определения плотности, в частности древесины. Основные достоинства и недостатки, перспективы использования самых популярных из них рассмотрим ниже. 

 

ОБ ОСНОВНЫХ МЕТОДАХ И УСТРОЙСТВАХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

ПЛОТНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ 

 

К основным методам определения плотности относятся спо
собы, основанные на взвешивании образцов древесины (ГОСТ 
16483.1-84), на проникающих радиационных (β-, γ- и рентгеновские 
лучи) и на ультразвуковых излучениях.