Научные исследования в деревообработке

А. А. Лукаш, T. H. Вахнина, О. Н. Чернышев





        НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ДЕРЕВООБРАБОТКЕ


Учебное пособие


























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 674.02+658.5
ББК 37.13
      Л84

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой архитектуры и дизайна изделий из древесины ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» Р. Р. Сафин;
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры лесопромышленных производств и обработки материалов ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова»
А. Е. Земцовский


      Лукаш, А. А.
Л84       Научные исследования в деревообработке : учебное пособие /
      А. А. Лукаш, Т. Н. Вахнина, О. Н. Чернышев. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 100 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1327-5

           Приведены теоретические сведения о проведении научных исследований технологических процессов деревообрабатывающей промышленности, исследовании основных параметров выборочной совокупности, теории планирования, проведения, статистической обработке, представлении и анализе результатов исследования.
           Для студентов и аспирантов высших и средних профессиональных учебных заведений, а также инженерно-технических работников и специалистов, связанных с проведением научных исследований технологических процессов.

УДК 674.02+658.5
ББК 37.13




Учебное пособие подготовлено на кафедре технологии деревообработки ФГБОУ ВО «Брянский государственный инженерно-технологический университет», кафедре лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств ФГБОУ ВО «Костромской государственный технологический университет» и кафедре механической обработки древесины ФГБОУ ВО « Уральский государственный лесотехнический университет»





ISBN 978-5-9729-1327-5

       © Лукаш А. А., Вахнина Т. Н., Чернышев О. Н., 2023
       © Брянский государственный инженерно-технологический университет, 2023
                                © Костромской государственный технологический университет, 2023
                                © Уральский государственный лесотехнический университет, 2023
                                © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ ........................................................6
1. НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ ОБЩЕСТВА......................7
1.1. Роль научных исследований для совершенствования техники и технологии производств лесопромышленного комплекса..........7
1.2. Значение научных исследований............................8
1.3. Терминология научных исследований........................9
Контрольные вопросы..........................................10
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЫБОРОЧНОЙ СТАТИСТИЧЕСКОЙ СОВОКУПНОСТИ..................................11
2.1. Терминология теории планирования эксперимента...........11
2.2. Основные параметры статистической совокупности..........12
2.3. Методика выполнения измерений...........................13
Контрольные вопросы..........................................16
3. ПОСТРОЕНИЕ ГИСТОГРАММЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ......................17
3.1. Гистограмма и ее назначение.............................17
3.2. Определение количества интервалов.......................18
3.3. Распределение значений выборки на интервалы.............19
3.4. Построение гистограммы..................................20
Контрольные вопросы..........................................21
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГЕНЕРАЛЬНОЙ СОВОКУПНОСТИ.................................................22
4.1. Параметры статистических совокупностей..................22
4.2. Определение доверительной границы для математического ожидания.....................................................23
Контрольные вопросы..........................................25
5. ПРОВЕРКА НОРМАЛЬНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ.......................26
5.1. Значение нормального закона распределения...............26
5.2. Порядок проверки закона нормального распределения.......28
5.3. Определение регрессионной зависимости между двумя факторами.29
5.4. Установление корреляционной зависимости между факторами.30
Контрольные вопросы..........................................31
6. ПОСТРОЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ГРАФИКА КРИВОЙ НОРМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ....................................32
6.1. Краткие теоретические сведения..........................32
6.2. Порядок построения графика..............................33
Контрольные вопросы..........................................35

3

7. ПРИМЕНЕНИЕ ГИСТОГРАММЫ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ КОЭФФИЦИЕНТА ТОЧНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА..............36
Контрольные вопросы............................................40
8. АНАЛИЗ ПРОВЕДЕННЫХ РАННЕЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................41
8.1. Выбор источников информации...............................41
8.2. Изучение научно-технической литературы....................42
8.3. Поиск специальных видов технических изданий...............42
8.4. Поиск информации в литературных источниках................42
8.5. Анализ информации и оформление списка литературы..........44
Контрольные вопросы............................................47
9. МЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА...................................................48
9.1. Планирование эксперимента.................................48
9.2. Проведение однофакторного эксперимента по классической методике.......................................................49
9.3. Проведение многофакторных экспериментов...................53
Контрольные вопросы............................................57
10. ПОСТОЯННЫЕ И ПЕРЕМЕННЫЕ ФАКТОРЫ. ИНТЕРВАЛЫ И УРОВНИ ВАРЬИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ФАКТОРОВ....................58
10.1. Выбор уровней и интервалов варьирования переменных факторов.....................................................58
10.2. Составление методической сетки проведения эксперимента и получение экспериментальных данных...........................60
Контрольные вопросы............................................62
11. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................63
11.1. Проверка однородности дисперсий..........................63
11.2. Пример проверки однородности дисперсий...................64
11.3. Расчет коэффициентов уравнения регрессии и проверка их значимости..................................................65
Контрольные вопросы............................................70
12. ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МОДЕЛИ...............................71
12.1. Проверка значимости коэффициентов........................71
12.2. Перевод уравнения из кодированных значений в натуральные.73
12.3. Графическая интерпретация результатов и анализ результатов эксперимента...................................................73
12.4. Пример поисковых исследований............................75

4

12.5. Пример полнофакторного эксперимента по установлению оптимальных параметров режима склеивания......................77
Контрольные вопросы...........................................82
13. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИССЛЕДОВАНИЙ................83
13.1. Расчет коэффициентов уравнения регрессии с использованием комплекса программного обеспечения MS Exel и Sigma Plot.......83
13.2. Графическая интерпретация результатов...................85
13.3. Пример анализа результатов эксперимента.................86
Контрольные вопросы...........................................86
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................87
Приложение 1. Распределение Стьюдента.........................88
Приложение 2. Параметры для определения доверительных границ стандарта генеральной совокупности............................89
Приложение 3. Критерий Пирсона /2.............................90
Приложение 4. Функция Лапласа.................................91
Приложение 5. Плотность нормированного нормального распределения.93
Приложение 6. Критерий Фишера.................................94
Приложение 7. Критерий Кохрена................................95
Приложение 8. Методическая сетка проведения однофакторного эксперимента..................................................96
Приложение 9. Методическая сетка проведения трехфакторного эксперимента..................................................97

5

ВВЕДЕНИЕ


     Настоящее пособие написано в соответствии с программой курса «Методы и средства научных исследований», утвержденной для направления подготовки «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств».
     Цель курса - обучение будущих бакалавров, магистров и аспирантов практическим методам решения научных вопросов, основам теории планирования эксперимента и обработки его результатов. Знание важнейших методов и приемов обработки результатов наблюдений необходимо будущим специалистам как в практике решения технических задач отрасли, так и при выполнении исследовательских работ.
     Знания и навыки, полученные во время изучения курса, кроме прикладной функции, дают возможность будущим исследователям творчески применять методы целенаправленного и систематического изучения объектов, которые позволяют сформулировать новые знания. Так реализуется познавательная функция курса, то есть расширяется сфера познания, как в профессиональной, так и в других областях деятельности.
     Пособие содержит методику проверки основных статистических задач, наиболее часто встречающихся в профессиональной деятельности будущих специалистов, методические сведения о планировании эксперимента и обработки его результатов и представлении результатов исследований.
     Пособие обеспечивает возможность обучающимся овладеть:
     -       методами планирования эксперимента при изучении технологических процессов отрасли;
     -       методами статистической обработки результатов;
     -       принципами проверки статистических гипотез для принятия обоснованных решений;
     -       способами графического представления результатов эксперимента.
     При разработке учебного пособия использованы ранее изданные:
     1.       Вахнина, Т. Н. Методы и средства научных исследований: учеб. пособие. В 2 ч. Ч. I / Т. Н. Вахнина. - Кострома: Изд-во Костром. гос. технол. ун-та, 2014. - 51 с.
     2.       Пижурин А.А. Основы научных исследований в деревообработке: учебник для вузов по спец. 250403 и 150405 / А. Аб. Пижурин, А. Ан. Пижурин. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. - 305 с.
     3.       Пижурин А. А. Исследования процессов деревообработки / А. А. Пижурин, М.С. Розенблит. - М.: Лесн. пром-сть, 1984. - 232 с.

6

1. НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ ОБЩЕСТВА
1.1. Роль научных исследований для совершенствования техники и технологии производств лесопромышленного комплекса

     Наука - это исторически сложившаяся и непрерывно развивающаяся логическая система знаний человека об окружающей его действительности. Истинность этих знаний проверяется и доказывается практикой. Наука превратилась в непосредственную производительную силу, она неразрывно связана с производством. На современном этапе развития ведущих стран мира основным фактором экономического роста становится не капитал и средства производства, а знания и новые идеи. Если в XX веке основную прибыль для большинства стран давал оборот сырьевых ресурсов, то в XXI веке самым привлекательным и прибыльным становится мировой рынок новых технологий и наукоемкой продукции.
     К сожалению, особенности научных исследований в процессах переработки древесины усложняют этапы разработки и внедрения новой продукции. Это связано со сложностью основного объекта исследований - древесины, с большим разбросом и нестабильностью ее микро- и макроструктуры, и вследствие этого - с разбросом показателей продуктов переработки древесины.
     Только вооружившись новейшими знаниями в области научных исследований, можно решать данные проблемы. В процессах переработки древесины основным средством получения новых знаний становится эксперимент. Большинство процессов деревопереработки недостаточно изучены в плане фундаментальных исследований. Это объясняется не только сложностью структуры древесины, но и отсутствием единой теории адгезии, применимостью теории резания только к простым частным случаям, и другими сложностями теоретического описания объектов и процессов деревопереработки.
     В основе научных знаний лежит наблюдение. Однако результат однократного наблюдения каждый раз меняется, содержит погрешность, обусловленную влиянием случайных, непредсказуемых факторов, и поэтому не может дать верного представления об объекте исследования. Как количественно оценить закономерности, которым подчиняются результаты наблюдений? Как использовать результаты анализа небольшого числа наблюдений для прогноза закономерностей, которым подчиняется множество значений исследуемого параметра? Ответы на эти вопросы дает математическая статистика.
     Приобретение навыка статистической обработки результатов эксперимента послужит основой для творческого выполнения научного раздела выпускной квалификационной работы, а в итоге - работ по совершенствованию техники и технологии производств лесопромышленного комплекса.


7

1.2. Значение научных исследований


     Наука - сфера человеческой деятельности, функция которой - выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности. Выработка нового знания происходит в процессе научного исследования - целенаправленного познания, результаты которого выступают в виде системы понятий, законов и теорий. Научное исследование опирается на методологию науки -учение о принципах построения, формах и способах научного познания.
     Основу методологии составляют диалектический метод и системный подход. Наука - это непрерывно развивающаяся система знаний объективных законов природы, общества и мышления, получаемых и превращаемых в непосредственную производительную силу общества в результате социальноэкономической деятельности. Термин наука применяется также и для обозначения отдельной области знаний. Основная цель науки - познание объективного мира (теоретическое отражение действительности) и воздействие на окружающую среду с целью получения полезных обществу результатов.
     Наука поддерживается и развивается в результате исследовательской деятельности общества. Наука производит новые знания, теория обобщает эти знания, опыт и выявляет закономерности. Однако знания приносят пользу только тогда, когда они реализуются в деятельности.
     Цель науки - описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющих предмет ее изучения, на основе открываемых ею законов, новых знаний. Целью науки также является производство новых знаний, выявление закономерностей направленного использования факторов.
     Научное исследование - это форма существования и развития науки. Научные исследования состоят из четырех компонентов:
     -  общие вопросы научных исследований (теория, методология и методы);
     -  процессы научных исследований (формы, методы и средства познания);
     -       методика научных исследований (выбор конкретных форм, методов и средств, эффективных для соответствующей области науки или отрасли профессиональной деятельности);
     -       технология научных исследований (совокупность знаний о процессах научных исследований и методике их выполнения).
     В этой связи важное значение имеет методика - совокупность способов проведения какой-либо работы.

8

1.3. Терминология научных исследований


     Наблюдение - целенаправленное, организованное восприятие предметов и явлений. Научные наблюдения проводятся для сбора фактов, укрепляющих или опровергающих ту или иную гипотезу и являющихся основой для определенных теоретических обобщений.
     Измерение - это материальный процесс сравнения какой-либо величины с эталоном, единицей измерения. Число, выражающее отношение измеряемой величины к эталону, называется числовым значением этой величины.
     Эксперимент - способ исследования, отличающийся от наблюдения активным характером. Это наблюдение в специальных контролируемых условиях. Эксперимент позволяет, во-первых, изолировать исследуемый объект от влияния побочных несущественных для него явлений. Во-вторых, в ходе эксперимента многократно воспроизводится ход процесса. В-третьих, эксперимент позволяет планомерно изменять само протекание изучаемого процесса и состояния объекта изучения. Формализация - построение абстрактно-математических моделей, раскрывающих сущность изучаемых процессов. Аксиоматизация -построение теорий на основе аксиом.
     Гипотетико-дедуктивный метод - создание системы дедуктивно связанных между собой гипотез, из которых выводятся утверждения об эмпирических фактах. Научная гипотеза - такое предположительное знание, истинность или ложность которого еще не доказана, но которое выдвигается не произвольно, а при соблюдении ряда следующих требований:
     1.      Отсутствие противоречий. Основные положение предлагаемой гипотезы не должны противоречить известным и проверенным фактам.
     2.      Соответствие новой гипотезы надежно установленным теориям. Так, после открытия закона сохранения и превращения энергии все новые предложения о создании «вечного двигателя» более не рассматриваются.
     3.      Доступность выдвигаемой гипотезы экспериментальной проверке.
     4.      Максимальная простота гипотезы.
     Деревообрабатывающая промышленность объединяет в себе разнообразные технологические процессы механической и химической обработки древесины, производства фанеры и фанерной продукции, древесностружечных и древесноволокнистых плит, отделки, сборки мебели и столярно-строительных изделий.
     Изыскания новых технологических процессов, интенсификация существующих, повышение качества выпускаемой продукции, снижение материалоемкости и энергоемкости является основой эффективного функционирования экономики. Для эффективного анализа механизма явлений и управления произ-9

водственными процессами необходимо выявить взаимосвязи между факторами, определяющими ход процесса, представить их в количественной форме в виде математической модели. Математическая модель является отображением наиболее существенных сторон процесса.

Контрольные вопросы

     1.       Роль научных исследований в деревообработке для совершенствования техники и технологии производств лесопромышленного комплекса.
     2.     Какое значение имеют научные исследования?
     3.     Назовите основные термины научных исследований.


10

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЫБОРОЧНОЙ СТАТИСТИЧЕСКОЙ СОВОКУПНОСТИ
2.1. Терминология теории планирования эксперимента

     Большинство процессов в лесопромышленном комплексе слишком сложны, чтобы можно было получить их теоретическое описание. Это связано со спецификой исходного материала исследований - древесины. Древесина -естественный объект биологического происхождения, она имеет очень сложную микро- и макроструктуру. Нестабильность ее характеристик приводит к значительному разбросу показателей процессов ее переработки. Поэтому основным средством получения информации об исследуемом объекте является специально спланированный эксперимент.
     В теории планирования эксперимента и обработки результатов экспериментальных данных существует ряд специфических понятий, тесно связанных с понятиями теории вероятности и математической статистики: испытание, эксперимент, опыт, случайная величина, вероятность и др.
     Испытанием называется практическое осуществление какого-либо комплекса условий.
     Эксперимент - это совокупность опытов, позволяющая установить влияние на объект исследования каких-либо воздействий (факторов).
     Опыт - часть эксперимента, выполненная при определенных значениях факторов.
     Всякий физический эксперимент включает в себя процесс измерения каких-либо величин. В технологических процессах очень велико значение измерений для получения заданного качества изделий, обеспечения взаимозаменяемости, контроля правильности выполнения технологического процесса. Результат измерения всегда отличается от истинного значения измеряемой величины из-за наличия погрешностей измерения.
     Случайной величиной называется переменная величина, которая в результате испытаний может принять то или иное значение в границах определенного интервала.
     Случайные величины бывают дискретными и непрерывными.
     Дискретной случайной величиной называется величина, принимающая отделенные друг от друга значения, которые можно пронумеровать. Пример: количество сучков на дереве, количество бревен в штабеле и т. п.
     Непрерывной случайной величиной называется величина, возможные значения которой заполняют некоторый промежуток. Пример: размер детали, обрабатываемой на станке, принимает любое численное значение в некотором интервале.

11

     Поскольку единичный опыт содержит большую или меньшую ошибку, он не может дать точного представления об объекте исследования. При большом количестве наблюдений результат и вывод по результатам эксперимента будут более надежными. Поэтому обычно анализируют множество результатов наблюдений.

2.2. Основные параметры статистической совокупности

     Множество значений случайной величины, полученные в результате эксперимента, представляют собой статистическую совокупность.
     Статистическая совокупность, содержащая в себе все возможные значения случайной величины, называется генеральной статистической совокупностью. Часть генеральной статистической совокупности называется выборочной статистической совокупностью, или выборкой. Пример: генеральная совокупность - все пиломатериалы, полученные на лесопильном предприятии за год. Выборочная совокупность - пиломатериалы, полученные за 0,5 часа.
     Число наблюдений n, содержащееся в выборке, называется объемом выборки.
     Основные параметры выборки - среднее арифметическое У, среднее квадратическое отклонение S.
     У - определяет центр группирования значений случайной величины.
     S - характеризует меру рассеивания результатов измерения относительно среднего арифметического.
     Любое случайное событие, и в том числе случайная величина, обладает той или иной объективной возможностью своего проявления. Для количественной оценки этой возможности используют термин вероятность. Вероятность события, вычисленную по результатам обработки экспериментальных данных, называют статистической вероятностью. Конкретное численное значение вероятности называется уровнем вероятности.
     Выводы, которые делаются на основе обработки неточных, случайных данных, не могут быть абсолютно достоверными. Поэтому надежность статистического вывода оценивают величиной доверительной вероятности р, где 0 < р < 1. В процессах деревообработки оперируют уровнем доверительной вероятности р = 0,95. Это значит, что статистический вывод будет справедлив в 95 случаях из 100.
     С уровнем доверительной вероятности р связана величина q, называемая уровнем значимости. Уровни связаны следующим соотношением:
р + q = 1.                         (2.1)

12

2.3. Методика выполнения измерений
2.3.1. Выбор средства измерения (измерительного прибора)

     Выбор средств измерения необходимо начать с определения цены деления Цд:
Цд <f 1...—1D,                      (2.2)

    д ^6 10)

где D - допуск на данный размер, т. е. разность между двумя допустимыми предельными размерами - максимальным и минимальным.
     Из нескольких средств измерения с одинаковой ценой деления следует выбирать такое, которое характеризуется наибольшей производительностью, надежностью, простотой обслуживания и наименьшей стоимостью.

2.3.2. Выполнение замеров

     Выполнить заданное число замеров n. Результаты замеров занести в таблицу.
     Пример.
     Необходимо замерить лущеный шпон номинальной толщиной (1,5 ± ± 0,1) мм. Определим допуск на измеряемый параметр: D = 0,2 мм.
     Цд < 0,2/6 = 0,033 мм. Выбираем микрометр МК (ГОСТ 6507-78), цена деления 0,01 мм. Выполним заданное число замеров n = 72. Записываем в форме таблицы 2.1.


                   Т а б л и ц а 2.1 Результаты замеров толщины шпона

Лист Замер толщины шпона, мм в точках            
      1     2   3  4  5  6  7  8  9  10  11  12 
 1   1,51 1,49                                  
 2                                              
 3                                              
 4                                              
 5                                              
 6                                              

13