[1]Полезная модель относится к технике выявления и измерения механических свойств древесины внутри отдельных годичных колец.
[2]Клеточная структура древесины формируется и адаптируется к условиям окружающей среды, реагирует на изменяющиеся факторы жизнедеятельности: солнечный свет, тепло, влагу и питательные вещества. Поэтому изучение годовых колец древесины позволит дать экологическую оценку процесса роста и развития изучаемого растущего дерева. Известны различные способы анатомических исследований, основанных на различии физических показателей отдельных частей годичного кольца и морфологической неоднородности древесины.
[3]Стандартные методы определения механических свойств древесины и оценки ее качества предполагают проведение разрушающих испытаний или измерение твердости. Применяют также тестирование внутренней структуры неразрушающими акустическими, рентгеновскими, инфракрасными термографическими, ядерно-магнитно-резонансными методами. Механические характеристики структурных элементов древесины в нано- и микрошкале исследуют, как и в других материалах, методами нано-/микромеханического тестинга, чаще всего с помощью атомно-силовых микроскопов и наноинденторов.
[4]Известен способ микрофотометрических исследований годичных колец древесины (см. патент RU №2477473, МПК G01N 33/46, A01G 23/00, дата приоритета 17.03.2011). Согласно способу микро фотометрических исследований годичных колец древесины, включающему регистрацию отраженного света, характеризующего выявление и измерение морфологической неоднородности древесины, при этом исследования осуществляют с помощью оптического эндоскопа путем его перемещения по отверстию, просверленному по центру ствола дерева в радиальном направлении с предварительно подготовленной внутренней поверхностью отверстия. Внутреннюю образующую поверхность отверстия после сверления подвергают шлифованию с последующей пропиткой контрастным составом и исследования проводятся визуально, либо путем записи рефлектограммы на регистрирующем приборе.
[5]Способ включает регистрацию отраженного света, характеризующего выявление и измерение морфологической неоднородности древесины. Исследования осуществляют с помощью оптического эндоскопа путем его перемещения по отверстию, просверленному по центру ствола дерева в радиальном направлении с предварительно подготовленной внутренней поверхностью отверстия. Предложенный способ дает возможность определить возраст дерева, обеспечить безопасность проводимых работ и получить информацию о состоянии древесины.
[6]Известна установка «СКРЕТЧ-ТЕСТЕР» фирмы УЕД (Бумажная ул., 17, корп. 3, Санкт-Петербург, Россия). Установка содержит: столик с держателем образца и датчиком акустической эмиссии, блок перемещения столика с датчиком перемещения и датчиком измерения силы трения, индентор, блок нагружения с датчиком измерения нагрузки, блок оптической регистрации с микроскопом и видеокамерой, блок управления, обработки и передачи данных на персональный компьютер.
[7]Установка может применяться на машиностроительных предприятиях, в диагностических лабораториях, высших учебных заведениях, предприятиях Комитета по стандартизации, метрологии и сертификации, научных лабораториях для быстрого и точного тестирования адгезионной прочности покрытий.
[8]Технические характеристики:
[9]нагружение индентора до нагрузки 200 Н с разрешением 5 мН;
[10]регистрация силы трения при царапании с разрешением 5 мН;
[11]измерение перемещения образца с разрешением 0,5 мкм;
[12]скорость перемещения образца до 200 мм/мин;
[13]регистрация сигнала акустического датчика;
[14]анализ изображения царапины при помощи микроскопа с видеокамерой.
[15]Известно устройство для испытаний на царапины и методы его использования по пат. US 9778158 B2 (МПК G01N 3/46, дата приоритета 20.06.2014 г.), содержащее индентор, кончик которого выполнен с возможностью взаимодействия с поверхностью образца, устройство привязки к поверхности, выполненное с возможностью установления положения индентора относительно поверхности образца, приводной механизм, выполненный с возможностью перемещения индентора вдоль поверхности образца для образования царапины, и измерительное устройство, выполненное с возможностью измерения, по меньшей мере, одного либо высоты скопления материала образца, удаленного из царапины, либо ширины царапины.
[16]Устройство предназначено для проведения экспериментов по царапинам для определения механических свойств материалов и позволяет инженерам прогнозировать и диагностировать целостность и оставшийся срок службы конструкций с использованием испытания на царапины.
[17]В качестве прототипа выбран способ исследований годичных колец древесины по пат. РФ №2804556 (МПК G01N 33/46, дата приоритета 09.12.2022 г.), включающий измерение механических свойств древесины, при этом исследования осуществляют с помощью многофункционального скретч-метода, заключающегося в царапании поверхности образца зондом определенной формы при заданной глубине его погружения и непрерывной регистрации нормальной Pn и латеральной Pl сил, действующих на зонд и характеризующих механические свойства древесины. Зонд может быть соединен с жестким нагружающим устройством, задающим с помощью вертикального привода фиксированную, но регулируемую глубину погружения d (от десятков мкм до единиц мм). Способ позволяет количественно характеризовать механические свойства, а также определять ширину годовых колец в тестируемой древесине.
[18]Основными недостатками указанных аналогов и прототипа является высокая трудоемкость исследований, обусловленная, помимо всего, отсутствием мобильного оборудования.
[19]Задачей данного изобретения является снижение трудоемкости исследований при проведении полного объема работ и получении необходимой информации.
[20]Изобретение позволяет количественно характеризовать механические свойства, а также определять ширину годовых колец в тестируемой древесине. Образцы для скретча - спилы или керны древесины.
[21]Поставленная задача решается с помощью полезной модели: скретч-тестер для древесины, содержащий неподвижную базовую платформу и установленную на горизонтальных направляющих подвижную каретку с закрепленным на ней датчиком силы, регистрирующим нормальную Fn и латеральную Fl компоненты силы сопротивления движению зонда параллельно поверхности, и зондом; контроллерный блок управления, обработки и передачи данных на персональный компьютер, отличающийся тем, что предметный стол для исследуемого образца закреплен неподвижно с базовой платформой, а соединенный с зондом датчик силы установлен на подвижной каретке с 2-координатной системой перемещения, вертикальный привод которой задает фиксированную, но регулируемую глубину погружения d от десятков мкм до единиц мм, а горизонтальный привод обеспечивает смещение перпендикулярно движения подвижной каретки для выполнения повторного царапания. Также, наличие горизонтального привода позволяет проводить скретч-тест перпендикулярно движения подвижной каретки.
[22]Прибор построен по модульному принципу. Аппаратная часть прибора состоит из приборного и контроллерного блоков. Основными конструкционными узлами прибора являются:
[23]- базовая платформа, выполненная в виде станины с креплением для образцов и подвижной каретки для размещения испытательного модуля скретчинга. Горизонтальное перемещение подвижной каретки осуществляется с помощью шагового двигателя и шарико-винтовой передачи по рельсовым направляющим. Базовая платформа имеет жесткость рамы порядка 107 Н/м для исключения влияния ее податливости на результаты измерений;
[24]- подвижная каретка, выполненная в виде 2-координатной системы перемещения, вертикальный привод которой задает фиксированную, но регулируемую глубину погружения d (от десятков мкм до единиц мм), а горизонтальный привод обеспечивает смещение поперек образца для выполнения повторного царапания;
[25]- модуль скретчинга, содержащий 3- или 2-осевой датчик силы, крепеж для зонда, сам зонд и суппорт для его позиционирования по вертикали (задания глубины погружения зонда)
[26]- электронный контроллер, выполненный в отдельном корпусе и содержащий микроконтроллерный модуль, модуль согласования сигналов, модуль управления электрическим приводом, источники питания.
[27]Помимо аппаратной части прибора, в его состав входит ПО для обеспечения пользовательского интерфейса, управления устройством, накопления, анализа и обработки экспериментальных данных и их хранения.
[28]Основные технические параметры:
[29]Длина хода каретки моторизованной базовой платформы (максимальная длина скретчинга) до 750 мм;
[30]Модуль смещения по вертикали: полных ход до 100 мм с точностью 0,001 мм;
[31]Модуль смещения по горизонтали поперек движения подвижной каретки: полных ход до 100 мм с точностью 0,001 мм;
[32]Скорость царапания (перемещения каретки) от 0,1 до 10 мм/с;
[33]Максимальная измеряемая сила при скретчинге до 100 Н;
[34]Разрешение по силе при скретчинге 0,5 мН;
[35]Частота оцифровки данных при скретчинге до 30 Гц.
[36]Суть скретч-метода заключается в царапании поверхности образца зондом определенной формы при заданной глубине его погружения и непрерывной регистрации нормальной Pn и латеральной Pl сил, действующих на зонд. Эти силы определяется механическими свойствами древесины и геометрическими характеристиками кончика зонда. Дальнейшая обработка получаемых первичных данных позволяет количественно и непрерывно с микрометровым разрешением получать локальные данные о физико-механических свойствах исследуемого материала, например, определять его твердость. В макрошкале величины, определенные методом скретч-теста, хорошо коррелируют с данными, полученными стандартными методами механических испытаний.
[37]Измерение микротвердости Н и модуля Юнга Е методом индентирования требует тщательной подготовки поверхности и больших затрат времени. Скретч-тестер позволяет профилировать физико-механические свойства приповерхностных слоев материала с высоким разрешением (от сотых долей мкм, в зависимости от формы зонда и приложенной силы), а измерение занимает минуты времени.
[38]Профиль изменения нормальной и латеральной силы в процессе движения зонда при скретчинге перпендикулярно годовым кольцам на поперечном срезе древесины способен отображать ее кольцевую структуру. Известно, что в большинстве пород деревьев механические свойства (например, эффективные значения микротвердости H) в ранней и поздней древесине (РД и ПД), измеренные в любом годовом кольце роста, отличаются в несколько раз. Это дает возможность использовать методику скретчинга для определения ширины годовых колец и выявления доли РД и ПД в интересах дендрохронологии и дендроклиматологии.
[39]Графические материалы содержат:
[40]Фиг. 1 - показана конструкция установки для скретчинга;
[41]Фиг. 2 - показан профиль нормальной силы вдоль радиального направления древесины сосны.
[42]Конструкция предложенного изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
[43]1 - базовая платформа,
[44]2 - подвижная каретка,
[45]3 - рельсовые направляющие,
[46]4 - шаговый двигатель с шарико-винтовой передачей для перемещения каретки по оси х,
[47]5 - шаговые двигатели для перемещения датчика силы с зондом по осям у и z,
[49]7 - двухкоординатный датчик силы,
[51]9 - образец (поперечный спил древесины, радиальное направление на котором совпадает с координатой х),
[52]10 - персональный компьютер.
[53]Fn и Fl - нормальная и латеральная компоненты силы, действующие на зонд в процессе его движения вдоль поверхности образца,
[54]V - скорость перемещения подвижной каретки,
[55]R - радиус закругления индентора.
[56]Далее описано применение предложенного изобретения для количественной характеризации механических свойств, а также для определения ширины годовых колец в тестируемой древесине.
[57]Для выяснения принципиальной возможности реализации скретчинга применительно к древесине были выполнены предварительные тестовые испытания структуры годовых колец роста сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на пробном макете специализированного скретч-тестера.
[58]В качестве образца был подготовлен механически шлифованный поперечный спил древесины сосны. Длинная сторона образцов совпадала с радиальным направлением в стволе дерева. Все исследования структуры и свойств годовых колец проводили на поверхности, нормальной по отношению к оси дерева, а следовательно, перпендикулярной к клеточным стенкам и волокнам.
[59]Для реализации скретч-теста использовали прибор, содержавший неподвижную базовую платформу с горизонтальными направляющими и подвижную каретку (фиг. 1). Каретка со сменным датчиком силы, на котором был закреплен зонд, перемещалась параллельно поверхности образца с постоянной заданной скоростью V от 30 мкм/с до 8 мм/с шаговым двигателем, управляемым компьютером. Вертикальным приводом на каретке задавалась фиксированная глубина d погружения зонда в материал. В качестве зонда в данной работе использовали стандартный индентор Роквелла из закаленной стали, имевший коническую форму с углом 120 градусов и радиусом закругления в вершине R=200 мкм. Он был установлен на двухкоординатном датчике силы LF-202M (Ligent Sensor Tech Co., Ltd., Китай), который позволял непрерывно измерять нормальную и латеральную компоненту силы взаимодействия зонда с образцом. Датчик имел предел измерения 150 Н, а разрешение системы составляло 10 мН по каждой оси. Оцифровывали поток данных 24-разрядным АЦП с частотой 30 Гц и загружали в память компьютера.
[60]Варьирование величин V и d позволяло менять скорость относительной деформации 
при механических испытаниях в очень широких пределах - от 0,3 до 1000 с-1. Большие скорости деформации (>10 с-1) полностью исключают влияние ползучести и вязкоупругости на результаты тестирования.
[61]Механическое тестирование в данной схеме проводилось в режиме «жесткой» испытательной машины. Это означает, что предварительными настройками задается фиксированная глубина погружения зонда d в испытуемый материал. Величина d определяет абсолютную деформацию поверхности независимо от ее упругости, вязкоупругости, ползучести, пластичности и т.д., а датчик силы измеряет сопротивление всем этим видам деформации.
[62]В процессе испытаний были получены профили Fn(r) или Fl(r). Так как механические свойства древесины в слоях РД и ПД существенно отличаются, то возможно определение ширины годовых колец Ws по расстоянию между соседними точками на полувысоте фронта на графиках Fn(r) или Fl(r). Путем варьирования задаваемой глубины скретчинга установлено, что для использованного наконечника Роквелла оптимальной с точки зрения отношения сигнал/шум и пространственного разрешения метода определения границ годовых колец является d≈50 мкм. Для достижения большего разрешения необходимо использовать зонд с меньшим радиусом кривизны в вершине и меньшую величину d.
[63]Скретч-тестер с оптимизированной силой и формой зонда дает возможность определить ширину годовых колец с точностью, сопоставимой с точностью стандартного оптического метода. Это позволяет использовать относительно простой, менее трудозатратный метод скретчинга в дендрохронологии, получая при этом и дополнительную информацию о механических свойствах древесины.
[64]Опыт эксплуатации этой установки показал, что она пригодна не только для испытания древесины и других целлюлозосодержащих композитов, но и для широкого круга других материалов - цементного камня, газо- и нефтесодержащих пород, льда, ледовых композитов и др. Она позволяет производить многократные неразрушающие испытания на одном образце и получать большой массив экспериментальных данных о пространственном распределении прочности, упругости, пористости и других физико-механических характеристик, их размерной и скоростной чувствительности.
