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. Торо-
пов. – 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 диа-
гностики и контроля качества древесины и древесных материалов. Представлены ана-
литический обзор устройств и результатов исследований в области диагностики расту-
щих деревьев и деревянных строительных конструкций методом измерения сопротив-
ления сверлению, основы кинематики и режимы сверления древесины тонкими буро-
выми 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 измере-
ния 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 со-
стояния зданий и сооружений. Может использоваться в учебном процессе и научно-
исследовательской 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 обла-
сти диагностики и исследования свойств древесины, и хотим по-
знакомить Вас с относительно новым методом диагностики древе-
сины 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 хо-
зяйства. В этот период не было материала, который превосходил 
бы древесину по всем характеристикам и был бы способен заме-
нить 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 рассматри-
вать 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 ха-
рактеристик, 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 измере-
ния сопротивления сверлению, которые в последние годы стали 
известны и востребованы при диагностике древесины. Сюда отно-
сятся известные во всем мире системы «Resistograph»® научно-
производственной компании «RINNTECH»® (г. Гейдельберг, Гер-
мания) и «IML-Resi» компании «IML» GmbH (г. Вислох, Германия). 
Основная часть книги посвящена обширному аналитическому об-
зору 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 ис-
следованиям 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 настоя-
щей монографии, стал инновационный продукт – переносной при-
бор «ResistYX». Это первое устройство, основанное на методе 
сверления, которое позволяет с высокой точностью определять 
плотность древесины в любой её локальной области и представ-
лять 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», Рес-
публика Марий Эл, пос. Лесной.  

Реализация работ стала возможна за счет поддержки грантами 

Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-
технической 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 Феде-
рации; защищена диссертация на соискание ученой степени кан-
дидата 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 успеш-
ному 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 стандар-
тизации, сертификации и товароведения, или по электронной по-
чте: 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, ко-
торые 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 усы-
хать и разбухать, коробиться и растрескиваться, загнивать и воз-
гораться. Всё это негативно влияет на качество выпускаемой про-
дукции при механической обработке (Panshin и др. 1980). Решение 
вопросов точного определения строения и изменчивости свойств 
древесины, своевременного выявления пороков позволит наибо-
лее рационально и безопасно использовать её в различных обла-
стях народного хозяйства.  

Наиболее значимое развитие отечественная наука о строении 

и свойствах древесины получила с 20-х годов прошлого века. Ис-
следованиями 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 показатель 
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 суще-
ственные 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 исследо-
ваний (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; Vös-
sing и Niederleithinger 2018). 

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

настоящее время в России и за рубежом было выполнено множе-
ство исследований по определению корреляции и нахождению за-
висимостей физико-механических свойств древесины от плотно-
сти. С того времени также разработан не один десяток приборов и 
инструментов для определения плотности, в частности древе-
сины. Основные достоинства и недостатки, перспективы использо-
вания 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. 

Широкое распространение в отечественной науке о древесине 

имеют стереометрический способ и способы вытеснения воды или 
ртути, а также гидростатического взвешивания, измерения вытал-
кивающей силы образцов, погруженных в жидкость, максимальной 
влажности.  

Наиболее точными (Полубояринов 1973) являются способы 

гидростатического взвешивания и измерения выталкиваю-
щей силы образцов, погруженных в жидкость, однако более 
широкое распространение среди представленных способов имеет 
стереометрический способ. Для определения плотности древе-
сины таким способом необходимо отобрать из исследуемого объ-
екта (растущее дерево, древесное сырье и т.п.) образец древе-
сины стандартного размера, например 202030 мм по ГОСТ 
16483.1-70, при этом объем образцов рассчитывается по стерео-
метрическим формулам, а масса  на весах соответствующей точ-
ности. В качестве исследуемого образца также могут быть исполь-
зованы керны, отобранные с помощью приростного бурава.  

Данные способы определения свойств древесины относятся к 

разрушающим, представляют усредненные значения исследуе-
мых параметров по образцу, а сами процедуры исследования яв-
ляются достаточно долгими, требующими использования ручных 
измерительных инструментов (линейки, штангенциркули) и лабо-
раторного оборудования (весов и т.д.). Достоверность полученных 
результатов зависит от правильности формы и точности изготов-
ления образцов с заданными размерами. 

На сегодняшний день стереометрический и другие описанные 

выше способы используются редко и, главным образом, при вы-
полнении экспериментальных исследований. Они заметно усту-
пили место радиационным и другим современным методам опре-
деления свойств древесины и древесных материалов, основанным 
на проникающих излучениях.  

Радиационный метод. Метод рентгеноденсиометрии получил 

известность и широкое распространение в конце XX века и до сих 

пор считается одним наиболее точных (Rinn и др. (d) 1996). В дере-
вообработке рентгеновская денситометрия может использоваться 
для определения величины средней плотности или получения про-
филей плотности, кернов, образцов композиционных древесных 
плит и т.д. (Schweibgruber и др. 1978). Одними из представителей 
лабораторных приборов для исследования плотности древесины и 
древесных 
материалов 
являются 
устройства 
DA-X 
фирмы 

«GreCon» (рис. 1.1). Относительная погрешность измерения плот-
ности древесины таких устройств равна ± 1 %, разрешающая спо-
собность настраивается и может достигать до 1000 и более значе-
ний на 1 мм длины образца.  

Преимуществом 
ра-

диационного метода и 
указанных устройств пе-
ред другими, например, 
ультразвуковым или ме-
тодами, использующими 
ручные 
инструменты 

(возрастной 
бурав 
и 

т.д.), является возмож-
ность использования в 
деревоперерабатываю-
щих производствах. Это 
обусловлено 
высокой 

производительностью 
радиационного метода. Однако необходимо отметить, что исполь-
зование данного метода при исследовании растущих деревьев, 
строительных конструкций представляется затруднительным и за-
частую невозможным вследствие недостаточной мобильности 
устройств.  

Известно, что губительное воздействие на организм человека 

оказывают гамма-излучения, однако и рентгеновские излучения 
при неправильном обращении и несоблюдении правил безопасно-

Рис. 1.1. Прибор DA-X для определения 

плотности древесины и древесных 

материалов фирмы «GreCon»