автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование технологических решений, повышающих эффективность заготовки сортиментов и лесосечных отходов, на основе функционально-технологического анализа

На правах рукописи

Будник Павел Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, > ПОВЫШАЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗАГОТОВКИ^ СОРТИМЕНТОВ И ЛЕСОСЕЧНЫХ ОТХОДОВ, НА ОСНОВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА

05.2J_.01 - Технология и машины лесозаготовок ^ и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0050071о*

1 2 ЯНВ Ж\1

Петрозаводск - 2011

005007164

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Научный руководоггель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Шегельман Илья Романович

доктор технических наук, профессор Григорьев Игорь Владиславович

кандидат технических наук Ивашнев Михаил Валерьевич

Северный (Арктический) федеральный университет

Защита диссертации состоится «27» января 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 в Петрозаводском государственном университете (185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан «А/» декабря 20И г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Р. В. Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Важнейшую роль в лесопромышленном комплексе играют лесозаготовки, эффективность которых в настоящее время недостаточна. Одна из важнейших причин этой ситуации заключается в том, что задача экономически эффективного комплексного освоения не только деловой, но и энергетической древесины окончательно не решена. В связи с этим древесина, остающаяся на лесосеке после лесосечных работ, не вовлекается в промышленный оборот. Например, в Республики Карелия процент дров, используемых для энергетических целей в общем топливно-энергетическом балансе, не превышает 4 %, а лесосечные отходы практически не используются. Сбор отходов после сортиментной заготовки, преобладающей на СЗФО, требует значительных трудовых и финансовых ресурсов, что делает их освоение не рентабельным.

Сегодня на рынке техники для заготовки сортиментов и лесосечных отходов преобладают зарубежные машины и оборудование. В частности, фирмы Финляндии, Швеции активно продвигают свои машины. Такая успешная экспансия связана с отсутствием конкурентоспособной техники отечественного производства. Учитывая экономический потенциал лесопромышленного комплекса, такая страна как РФ должна иметь свое лесное машиностроение. Для этого нужны новые технические и технологические решения.

Несмотря на работы, выполненные в ЦНИИМЭ, СПбГЛТА, МГУЛе, ГНЦдеспроме, Воронежской ГЛТА, Марийском техническом университете, ПетрГУ, КарНИИЛПе, Северном (Арктическом) федеральном университете и др. НИИ и вузах страны, для решения задачи комплексного освоения лесных ресурсов требуются проведение дополнительных исследований, направленных на разработку конкурентоспособных технологических и технических решений, повышающих эффективность и комплексность заготовки деловой и энергетической древесины.

Безусловно, эта задача должна решаться на современном уровне научно-технического развития с использованием методов математического моделирования и современных информационных технологий, включая разработку методов решения возникших задач. Все это в целом обусловило постановку названной темы и ее выполнение в Петрозаводском государственном университете.

В связи с этим сформулированная задача, относящаяся к направлению «Рациональное природопользование», входящему в перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в России. Решение данной задачи весьма актуальна, поскольку позволит повысить эффектность и комплексность лесозаготовок.

Цель исследований.

Разработка технологических и технических решений, позволяющих повысить эффективность заготовки сортиментов и лесосечных отходов, базируясь на использовании методов вероятностно-статистического и функционально-технологического анализов.

Объекты и методы исследований.

Технологические процессы и машины лесозаготовительной отрасли для заготовки деловой и энергетической древесины. При исследовании применялись мето-

ды вероятностно-статистического анализа, математического моделирования, математического программирования, вычислительные эксперименты на ЭВМ, натурные эксперименты, хрономегражные наблюдения. При разработке новых технических и технологических решений применялись: морфологический анализ и его модификации, функционально-технологический анализ, элементы функционально-стоимостного анализа.

Научная новизна.

Разработана и апробирована математическая модель для анализа технологических процессов заготовки леса в сортиментах с использованием комплекса машин «харвестер + форвардер» и выработки рекомендаций по повышению их эффективности. Модель опирается на методы вероятностного анализа, развитого в теории очередей.

Доказано, что повышение эффективности сортиментной заготовки леса в рассмотренных условиях может быть осуществлено путем применения лесозаготовительных машин в комплектации «два харвестера + два форвардера».

Обоснован более эффективный метод заготовки деловой и энергетической древесины, а также компоновка и основные параметры лесозаготовительной машины для его реализации.

Разработана математическая модель для определения рационального вылета манипулятора валочно-трелевочно-процессорной машины (ВТПМ) в зависимости от природно-производственных условий.

Разработана имитационная модель поступления деревьев в коник ВТПМ, с целю последующего определения необходимой мощности двигателя и грузоподъемности самоходного шасси для данной машины.

Теоретическая и практическая значимость.

Доказана эффективность применения методики, основанной на вероятностно-статистическом анализе, к лесозаготовительным процессам. Результаты исследования могут дать основу для принятия решений при выборе технологий и систем лесозаготовительных машин в различных природно-производственных условиях. Кроме этого результаты могу быть использованы при проектировании новых конструкций машин, обеспечивающих заготовку деловой и энергетической древесины. Работа выполнена в рамках важнейших НИОКР Республики Карелия (госконтракт № 125 2009 г. «Научно-методическое сопровождение процессами функционирования лесопромышленного комплекса Республики Карелия в условиях принятия спектра полномочий, ранее осуществляемых федеральным центром», № 126 2009 г. «Мониторинг состояния и прогнозирования развития лесопромышленного кластера Республики Карелия», № 16.515.11.5052 «Проведение проблемно-ориентированных прикладных исследований и формирование научно-технического задела для создания инновационной системы и методов использования и воспроизводства лесных ресурсов на базе новых технологий интенсивного лесопользования, обеспечивающих условия для рационального природопользования без нарушения устойчивости лесных экосистем с ориентацией на малозатратные и ресурсосберегающие технологии»).

Научные положения, выносимые на защиту:

Обоснование эффективности использования методологии, опирающейся на методы вероятностного анализа, развитого в теории очередей, для моделирования лесо-

заготовительных процессов и разработанной на этой основе математической модели процесса функционирования комплекса «харвестер + форвардер».

Рекомендации по повышению эффективности лесозаготовительного комплекса «харвестер + форвардер» путем использования комплекса машин в составе «два харвестера + два форвардера».

Результаты статистических экспериментов но оценке параметров случайных процессов функционирования комплекса «харвестер + форвардер» в виде статистических характеристик для предприятия ЗАО «Шуялес».

Технологические и технические решения, повышающие эффективность освоения древесной биомассы.

Математическая модель для определения оптималыюго вылета манипулятора новой лесозаготовительной машины и полученные на ее основе рекомендации.

Имитационная модель поступления деревьев в коник лесозаготовительной машины и полученные на ее основе рекомендации по мощности двигателя на трелевке и грузоподъемности самоходного шасси вапочно-трелевочно-процессорной машины для разных регионов России.

Достоверность научных исследований подтверждается значительным статистическим материалом, полученным в реальных природно-ироизводственных условиях Республики Карелия, использованием фундаментальных методов теории вероятности и математической статистики, непротиворечивостью полученных результатов этим теориям, адекватностью разработки моделей, внедрением результатов исследований.

Апробация работы. Основные результаты исследований были обсуждены на Международных научных конференциях «Леса России в 21-ом веке» (С-Пб, 2009), «Север и Арктика в новой парадигме мирового развития» (Апатиты, 2010), «Се-вергеотех-2009» (Ухта, 2009), «Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике» (Петрозаводск, 2010), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2010 и 2011), па заседаниях НТС КарНИИЛПКа ПетрГУ и кафедры технологии и оборудования лесного комплекса ПетрГУ.

Публикации. Основное содержание работы представлено в 16 опубликованных работах, из них - 3 публикации в центральных рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, 2 - патента и 1 - свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения, списка использованной литературы из 300 наименований. Общий объем работы: 190 е., 73 рисунков, 38 таблиц, 92 формула.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во иведеини обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана научная новизна выполненных исследований, сформулированы цель и основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе выполнен анализ технических и технологических решений в области лесозаготовок в России и за рубежом. Выявлены основные тенденции механизации лесосечных работ.

Разработкой лесозаготовительных машин и технологий в России занимались ЦНИИМЭ, J1TA, МГУЛ, КарНИИЛП, Марийский политехнический у!шверситет, ВНШ1ЛМ, Уральская ЛТА, Архангельский технический университет, Воронежская ЛТА и др. Среди иностранных организаций можно выделить: Украинский научно-исследовательский институт лесного хозяйства и агролесомелиорации, Белорусский технологический университет, американские компании Deere & Company, L. В. Foster Company, Rome Industries, Logging Development Corporation, Bruun System AB, Clark Equipment Company, J. I. Case Company и др.

Однако результатов работ известных исследователей в этой области недостаточно для создания технологических и технических решений эффективного освоения деловой и энергетической древесины. К решению этой задачи можно подойти двумя путями. Первый заключается в совершенствовании уже существующих технологий и техники. Второй - создание новых технических и технологических решений.

По результатам анализа проведенных исследований поставлены следующие задачи:

- обосновать эффективную методолощю анализа лесозаготовительных процессов;

- обосновать способ заготовки древесины, позволяющий повысить эффективность лесозаготовительных работ, а также предложить компоновочную схему и параметры новой лесозаготовительной машины, работающей по этому способу;

- разработать математическую модель для определения оптимального значения максимального вылета манипулятора валочно-трелевочно-процессорной машины (ВТПМ) в различных природно-производственных условиях;

- определить необходимую мощность двигателя для ВТПМ в различных природно-производственных условиях;

- провести статистические эксперименты по оценке параметров случайных процессов функционирования комплекса «харвестер + форвардер»;

- оценить экономическую эффективность предлагаемых технических и технологических решений.

Во втором разделе осуществлен выбор метода анализа базовых технологических процессов заготовки сортиментов с получением деловой и энергетической древесины. На основании сделанных выводов была выбрана методика функционально-технологического анализа. Кроме этого, так как в известных работах по теории и практике функционально-технологического анализа не в полной мере использованы методы математического моделирования, исследована эффективность применения методологии, основывающейся на теории очередей, к моделированию лесозаготовительных процессов. В разделе рассмотрено приложение этой методике к моделированию технологического процесса заготовки сортиментов с использованием комплекса в составе «харвестер + форвардер».

В настоящее время, в связи с работой большого числа разнообразных систем лесозаготовительных машин, необходимо выработать универсальный подход-по повышению эффективности лесозаготовительного производства. В качестве одного из таких подходов может быть использована теория очередей.

Одной из важных задач, решаемых с помощью теории очередей, является анализ процессов, выполняемых на конвейере или в поточном производстве, где

задача оптимизации, как правило, заключается в выборе рационального числа обслуживающих устройств. Такой анализ может быть применен на лесозаготовках, где в качестве обслуживающих устройств выступают лесозаготовительные машины, выполняющие те или иные операции.

Моделирование лесозаготовительного процесса с использованием теории очередей по предложенной методики направлено па определение двух наиболее важных стационарных характеристик: средней длины цикла обслуживания заявки Е[СТХ] и среднего числа заявок в системе Е[Ш1Р] . Под длиной цикла понимается время, которое заявка находится в системе, и которое включает время, проведенное в очереди ТЧ(В), а также время ее обслуживания ТХ(В). Величина Е[И7Р] включает заявки, находящиеся в обработке и ожидающие в очереди.

С точки зрения теории очередей лесозаготовительный процесс с использованием комплекса «харвестер + форвардер» можно рассмотреть как одноканаль-ную систему массового обслуживания с групповым поступлением (СМО) С!С/\. В качестве заявок, поступающих на обслуживание в систему, выступают пачки сортиментов. Размер пачки определяется количеством сортиментов помещающихся на платформе форвардера.

На схеме функционирования СМО (рис. 1) 1(7) - среднее число сортиментов, вырабатываемых харвестером за единицу времени (интенсивность входного потока сортиментов); Та{1), Гд(В), Т5(В) , Та(В), Т„, Тгх , Тр, Тхх соответственно время: выпиливания харвестером одного сортимента; проведенное пачкой сортиментов в очереди; обслуживания пачки сортиментов; выпиливания харвестером пачки сортиментов; погрузки сортиментов форвардером; транспортировки пачки сортиментов; разгрузки сортиментов на погрузочной площадке; движения форвардера в порожнем направлении; N - число сортиментов помещающихся на платформе форвардера; Л(В) - средне число пачек сортиментов вырабатываемых

харвестером в единицу времени; С2[Га(/)], с1(В), Сл2(В), С2 (АО соответственно

квадрат коэффициента вариации: времени выпиливания харвестером одного сортимента; времени выпиливания харвестером пачки сортиментов, времени обслуживания форвардером пачки сортиментов; числа сортиментов в пачке.

I

щиы с)т.ц>1

Ы)

~ \ ф>

ы

£/Л7

I ЩПШ)!

£/М)/ С/1В)

ш ш Вг| 1 ..... ||

цт*! цт,,.! Е1П]

ш

Рис. 1. Схема функционирования системы

Под временем выпиливания сортиментов харвестером понимается время между моментами изготовления сортиментов. Под временем обслуживания пачки понимается время, затрачиваемое форвардером на сбор сортиментов, транспортировку, штабелевку и сортировку, а также время холостого хода. Под выпиливанием пачки

сортиментов понимается время необходимое харвестеру для изготовления определенного числа сортиментов, помещающегося на платформе форвардера.

Для системы массового обслуживания с групповым поступлением величина Е[СТ$] определяется так:

Е[СТ,] = Е[й] + Е[ТГ1(В)\ + Е\Тх(В)\, (1)

где ¿"[Л] - математическое ожидание времени выпиливания харвестером пачки сортиментов (время формирования заявки).

Величина Е[й] определяется на основе тождества Вальда:

Е[0] = Е[Щ-ЩТа(1)]. (2)

Среднее время, проведенное пачкой сортиментов в очереди, находится:

«(В)

2 и-"<в)

Е[Т„(В)]--

СЦ(В) + С?(В)

(3)

где и(В) - коэффициент загрузки, который определяется известным выражением: м(Я) = я[г5(Я)]/£[га(Я)]= к(В)1ц(В) = Щ)1{ц{ВУЕ[Щ]. Величина р(В) -среднее число пачек сортиментов обслуживаемых в единицу времени. Тогда с учетом выражений (1)-(3) величина Е[СТЛ] находится:

Е[СТВ ] =

С1А,А + с2[м}+с1{П)

"г' и +(

и(В) 1 -н(В)

(4)

+ Е{Щ-Е{Та{1)} +^Т.Щ)} Зависимость между средним числом заявок в системе и средней длинной цикла выражается законом Литтла: Е[1У1Р] = Л(В)- Е[СТХ ].

В случае работы т харвестерови с форвардеров выражение (1) имеет вид

Сд(В) + С^(В)

ы(В)

т/2с+2-1

с-(!-«(/»))

(5)

+ £[Л/]-Е[Га(/)]+я[г5(В)] где Сд(В) - квадрат коэффициента вариации времени выпиливания пачки сортиментов всеми харвестерами; СХ(В) - квадрат коэффициента вариации времени обслуживания пачки форвардером; и(В) - коэффициент загрузки; е\Тх(В)] - математическое ожидание времени обслуживания пачки; с — число обслуживающих устройств (форвардеров); Е[Та{1)] - среднее время между моментами выпиливания сортиментов с учетом работы всех харвестеров.

Коэффициент загрузки для нескольких обслуживающих устройств определяется по известной формуле: и(В) = Х{1)/(р(В) • Е[Щ ■ с).

Интенсивность входного потока (среднее число сортиментов, выпиливаемых всеми харвестерами в единицу времени) можно рассматривать как сумму т независимых потоков с общей интенсивностью:

т

Ж') = ][>(')>

(6)

¡=1

где т - общее число харвестеров АД/) - среднее число сортиментов изготовляемых г - м харвестером в единицу времени.

Заметим, что величина Л(/) связана с А(В) (средним числом пачек выпиливаемых всеми харвестерами в единицу времени) выражением Л(В) = Ä(/)/£[JV].

Величина С£(В) находится:

где Я¡(В) - среднее число пачек сортиментов, выпиливаемых ( - м харвестером за единицу времени, которая связана с величиной ЛД/) выражением Л,(В) == АД/)/£[/¥]; Сд ¡(В) - квадрат коэффициента вариации времени выпиливания пачки сортиментов / - м харвестером.

вестером одного сортимента; c2\n] - квадрат коэффициента вариации числа сортиментов, помещающихся на платформе форвардера.

Снижение средней длины цикла подразумевает под собой снижение времени пребывания сортиментов на лесосеке, что соответствует более производительной работе лесозаготовительных работ при условии неизменности показателей пачки

сортиментов (E[N] и C2[N]). Средняя длина цикла зависит от среднего времени выпиливания харвестером пачки сортиментов (E[D]), среднего времени пребывания заявки в очереди (E{Tq(B) \) и среднего времени обслуживания пачки

Среднее время пребывания заявки (пачки сортиментов) в очереди, показывает как долго в среднем поступившая в систему заявка (пачка сортиментов, выпиленная харвестером) ждет обслуживания. Чем меньше данная величина, тем более равномерно работает система. Величина Е[Тд{В)] зависит от коэффициента загрузки (и(В)).

Коэффициент загрузки показывает, насколько загружены обслуживающие устройства (форвардеры). В случае одного устройства, если и(В) > 1, то обслуживающее устройство перегружено. Если и(В) < 1, то обслуживающее устройство недогружено и будет простаивать долю времени равную 1 -и(В) . Важно отметить, что при приближении коэффициента загрузки к единице величина очереди (и незавершенной работы) нелинейно возрастает, что является одной из основных

(7)

причин, приводящих к перегрузке производственной системы и, как следствие, срыву графика производства.

Отметим, что среднее число заявок в системе ( E[WfP] ) показывает, какой объем готовых сортиментов в среднем находится на лесосеке.

На основании полученной модели (4) и (5), а также проведенных статистических экспериментов по оценке параметров случайных процессов функционирования комплекса харвестер John Deere 1270D Eco III + форвардер John Deere 111 OD Eco III были получены следующие результаты.

При увеличении числа форвардеров (обслуживающих устройств), обозначаемых далее через с, в системе происходят следующие изменения рассматриваемых величин по сравнению с их первоначальными значениями. При с = 2 E[CTS ] и E[IV/P] снижаются на 5,99 %, E[Tq(H)\ на 93,18%, и(В) на 50 % и составит 0,36. При с = 3 £[СГ5] и E[WIP] уменьшатся на 6,35 %, E[Tq(B)] на 98,76%, и(В) на

66,67 % и составит 0,24. Отметим, несмотря на то, что достигается значительное снижение E[Tq{B)], в целом в таких комплексах будет наблюдаться простой форвардеров, так как значения коэффициентов загрузки малы.

Если увеличить интенсивность входного потока в два раза, что может соответствовать параллельной работе двух харвестеров, то при с = 2 величина E[CTS]

сократится на 30,75 %, E[Tq(B)} на 56,71 %, а величина E[WIP\ возрастет на 38,49 %. Коэффициент загрузки останется без изменения. При с = 3 величина E[CTS] сократится на 33,12 %, E[Tq(B)\ на 93,53%, a E[WIP] возрастет на 33,75 %. Коэффициент загрузки снизиться на 33,33% и составит 0,48.

Если продолжить увеличивать число машин, то получается следующее - при работе трех харвестеров и четырех форвардеров наблюдается снижения E[CTS]

на 42,21%, Е[ГЦ(В)] 94,44 % и увеличении E[WIP] на 73,35 %. Величина и(В)

снизиться на 25 % и составит 0,54. При работе четырех харвестеров и четырех форвардеров E[CTS] снижается на 45,99 %, E[Tq{B)\ на 82,77 %, a E[W1P] возрастает на 116,06 %. Коэффициент загрузки остаться неизменным.

Увеличение числа машин в одном комплексе приводит к увеличению среднего числа пачек в системе. Так, например, в первоначальном варианте среднее число пачек составляет 1,84. Это означает из расчета, что объем пачки, составляет в среднем 10 м3 - на лесосеке находиться 18,4 м3 сортиментов. При работе трех харвестеров и четырех форвардеров E[W1P] = 3,99, что равноценно 39,9 м3 сортиментов лежащих вдоль волоков. Кроме того, применение большого числа лесозаготовительных машин затруднительно, ввиду сложности организации одновременной работы машин на лесосеке, а также увеличения негативного воздействия машин на окружающую среду.

На основе проведенного анализа модели, можно сделать вывод, что в рассмотренных условиях целесообразен комплекс «два харвестера + два форвардера», так как при этом достигается значительное снижение средней длины цикла и сред-

него времени пребывания пачки сортиментов в очереди по сравнению с первоначальными значениями, при неизменном коэффициенте загрузки.

Третий раздел посвящен разработке технологических решений в области лесосечных работ. В основу был положен функционально-технологический анализ (ФТА), морфологический анализ, а также использовались элементы функционально-стоимостного анализа.

В процессе ФТА были изучены существующие прототипы технических и технологических решений в области лесосечных работ, определены их основные функции. Рассмотрена возможность переноса функций во времени (последовательность выполнения) (таблица 1), в пространстве (сочетание функций выполняемых одной машиной) (рис. 2). Сформированы морфологические матрицы для каждой функции по методике Одрина В. М. и Картавова С. С. (Таблица 2).

По итогам коллективной экспертной оценки результатов ФТА, проводимой на заседании научно-технического совета КарНИИЛПКа, был предложен технологический процесс заготовки деловой и энергетической Древесины (рис. 3). Суть процесса следующая. При разработке каждой пасеки универсальная лесозаготовительная машина задним ходом заходит вглубь лесосеки и разрабатывает волок (технологический коридор). Двигаясь в обратном направлении, машина подбирает деревья, которые были уложены в процессе разработки волока, а также осуществляет валку и укладку в коник деревьев, находящиеся в пределах доступности с обеих сторон. Набранная пачка трелюется на погрузочную площадку (верхний склад), где машина производит обрезку сучьев, раскряжевку, штабелевку сортиментов. При необходимости выработки топливной щепы после накопления некоторого запаса отходов, образующегося в процессе выработки сортиментов, руби-тельная машина перерабатывает их в щепу. Для пояснения отметим: 1 - лесовозный ус; 2 - граница пасек; 3 - размеченный волок; 4 - полупасек а до рубки; 5 - подрост; 6 - универсальная лесозаготовительная машина; 7 - разработанный волок; 8 - пень; 9 - поваленное дерево; 10 - разработанная пасека; 11 - щеповоз; 12 - погрузчик; 13 - куча щепы; 14 - штабеля деревьев; 15 - автолесовоз; 16 - штабеля сортиментов; 17 - сучья, вершины, откомлевки; 18 - мобильная рубительная машина (МРМ).

Таблица 1 - Возможные варианты последовательности выполнения функций

№ Индекс функции (операции)

1 2 3 4 5 6

а Валка Обрезка Раскряжевка Трелевка Погрузка Вывозка

б Валка Трелевка Раскряжевка Обрезка Погрузка Вывозка

в Валка Раскряжевка Обрезка Трелевка Погрузка Вывозка

г Валка Трелевка Обрезка Раскряжевка Погрузка Вывозка

Д Валка Обрезка Трелевка Раскряжевка Погрузка Вывозка

е Валка Раскряжевка Трелевка Обрезка Погрузка Вывозка

ж Обрезка Валка Раскряжевка Трелевка Погрузка Вывозка

и Обрезка Валка Трелевка Раскряжевка Погрузка Вывозка

к Раскряжевка Обрезка Трелевка Погрузка Вывозка

л Раскряжевка Трелевка Обрезка Погрузка Вывозка

м Обрезка Раскряжевка Трелевка Погрузка Вывозка

о—о

4>

-о

-о—о

I—о—о

о—о

о—о

о-

о—о

-о

Л» Индекс функций /операции!

1 2 3 ] 1 5 6

17 о~ 43 ■"о+сй о

К о- о о о~

п о 0 -о о 4э

20 о- -о о о о о

21 о о- -о о о 0

22 о о о- -о о о

23 о о о о- -о о

2* о 0 о о о 43

25 о- о о- о 0

26 о- -о о о -о о

27 о- -о о о сП о

2в о СИ -о сь о о

29 о СИ -о о °1 -о

30 о о о- 43 о- 43

31 СИ -о о- -о о- 4)

32 о 0 Го 1 0 о 0

Рис. 2. Фрагмент таблицы сочетания функций выполняемых машинами: каждая строчка «1» - «32» может быть соотнесена со строчками «а» - «и» в таблице 1

Таблица 2 - Фрагмент морфологической матрицы для функции «Валка»

Классификационные признаки Значение классификационных признаков

А1 А 1.1 А 1.2

А2 А 2.1 А 2.2 А 2.3

Примечание: А1 - способ отделения дерева; А2 - место валки; А 1.1 - валка с корневой системой; А 1.2 - валка с отделением от пня; А 2.1 - на землю; А 2.2 - на машину или ее устройство; А 2.3 - на транспортное средство.

Рис. 3. Схема разработки лесосеки ВТПМ

По результатам ФТА был получены патенты на способ заготовки деревьев с кроной, а также на способ производства щепы на лесосеке. В четвергом разделе приведены результаты экспериментальных исследований, которые были проведены с целю получения статистического материала (величин

Cl(l), C2[JV], £[ЛГ], cj(B), E[ts(B)], E[TaU)]), для моделирования технологического процесса заготовки сортиментов комплексом «харвестер + форвардер» с использованием модели (4) и (5).

Местом для проведения экспериментов была выбрана лесосека, расположенная в Пряжинском районе Республики Карелия, делянка №1, квартал №53, выдел №8, Колотсельгского участкового лесничества, Пряжинского центрального лесничества. Данная лесосека осваивалась комплексом машин ЗАО «Шуялес». В состав комплекса входил харвестер John Deere 1270D Eco Ш и форвардер John Deere 11ÎOD Eco III.

Статистические данные были получены путем проведения хронометражных и микрохронометражных наблюдений за работой харвестера и форвардера. На рис. 4 приведены гистограммы относительных частот.

а. б.

-V N« # i

Границы интервалов, с

T4?<f

Границы интервалов, с

Рис. 4. Гистограммы экспериментальных данных: а. - продолжительность выпиливания одного сортимента харвестером; б. - продолжительность обслуживания пачки сортиментов форвардером.

По результатам статистической обработки экспериментальных данных получены следующие значения искомых величин: Е[Щ = 147, С2[Ы] = 0,059, Е[Та (/)] = 34с,

С2[Га(/)] = 0,803 ,Е[Т5(В)] = 3628с , С52(Я) = 0,059 .

Средняя длина цикца, рассчитываемая по модели (4), составляет 9219 с, а полученная непосредственно из. экспериментальных данных 8549 с, что составляет 92,73 % от значения получаемого по модели (4).

Расхождения значений может быть объяснено методикой проведения эксперимента. В ходе опыта не было возможности точно определить момент окончания формирования пачки харвестером, так как для этого необходимо заранее знать, сколько сортиментов поместиться на платформе форвардера. С цель упрощения опытов, за момент окончания формирования пачки был принят момент времени,

к которому харвестер вырабатывал очередные 10 м3 сортиментов. По мнению автора именно эта погрешность внесла наибольший вклад в расхождение значений средних длин цикла.

В пятом разделе на основании исследований в области работы валочно-трелевочных машин предложены компоновочные решения для оригинальной ва-лочно-трелевочно-процессорной машины (ВТПМ), которая необходима для реализации технологического процесса (рис. 3), полученного в результате ФТА (рис 5).

Рис. 5. Компоновочная схема валочно-трелевочно-процессорной машины (ВТПМ): а. - на базе ВТМ ТЛК6-01 (1 - самоходное шасси, 2 - валочно-сучкорезно-раскряжевочная головка, 3 - манипулятор, 4 - зажимной коник); б. - на базе МЛ-107 (1 - самоходное шасси, 2 - манипулятор, 3 - зажимной коник, 4 - валочно-сучкорезно-раскряжевочная головка).

ВТПМ работает по технологии приведенной на рис. 3. Машина может работать с осуществлением сортировки деревьев на дровяные (сухостойные, фаутные, гнилые, деревья быстрорастущих лиственных пород) и деловые. В зависимости от места сортировки ВТПМ оставляет дровяные деревья в целом виде непосредственно на лесосеке, если сортировка осуществляется в процессе формировании пачки деревьев, или на погрузочной площадке, если сортировка производится на погрузочной площадке. Дровяные деревья перерабатываются на щепу. Ввиду этого повышается производительность машины на заготовке сортиментов.

Для укрепления проезжей части волоков предлагается следующая технологическая схема с использованием ВТПМ. ВТПМ при разработке волока осуществляет обрезку сучьев, укладку получившихся отходов на проезжую часть волока. Хлысты складываются в запас по бокам волока. После окончания разработки машина, двигаясь в обратном направлении, собирает хлысты в коник и транспортирует их на погрузочную площадку. На погрузочной площадке машина осуществляет раскряжевку хлыстов, сортировку и штабелевку сортиментов. Аналогичным образом осуществляется укрепление лесовозных усов.

г

б.

В шестом разделе разработана математическая модель для определения оптимального значения максимального вылета манипулятора ВТПМ. Для определения этой величины необходимо, чтобы суммарные затраты времени на набор пачки были минимальны (9).

Т =

(0,059+0,52-д)(^+/т/о+ф < Q,847(/m+/р) 0+ 1+ 3 + 2

Qx iQ4(.'mp+tpm)-Q Я U ■ (21%, cos30° - blm )

10 4Q lm fqi

+--------—»min> W

M ■ Уф„ (21 m cos 30° - b) K/m где lm - оптимальное значение максимального вылета манипулятора, м; Q - объем трелюемой пачки, м3; q - средний объем хлыста, м3; М - средний запас леса на 1 га, м3/га; Уфп - скорость машины во время переездов между рабочими станциями, м/с; Iq - минимальный вылет манипулятора, м; b - ширина прохода, м; 'mp ~~ время перевода технологического оборудования из транспортного положения в рабочее, с; tpm - время перевода технологического оборудования из рабочего в транспортное положение, с.

Суммарные затраты времени имеют минимальное значение где первая производная по (9) равна нулю:

dT = ((0,059 + 0,S2 ■g)(2/m+/0) | 0,847Q '04('«р + >pm) Q 4/„, cos30°-fe dim Л 3 2 jq М ' (2/m cos30°-б)2

2-1O40cos3O° 1 _Q (10)

M ■ Уф„(21т cos30° - ft)2 Уфп После преобразований получим:

"\15т + «2'т + "з'т + аЛ Wm + = 0 > (11)

где ai =16-cos2300-2-(0,059 + 0,52-9)-ji/-fyn, (12)

а2 = 4 • cos30° • М ■ (Q■ Уфп ■ (2 • (0,059 + 0,52 • q) ■ (cos30° • /0 - 2 ■ Ъ) +

+ 3 • cos 30° • 0,847) - 6 • cos 30° • q), (13)

а3 =4-A/-6-(6-K0„-((O,O59 + O,S2-4)-(&-2-/o-cos3O0)-

- 3 • 0,847 • cos30°) + 6 • q ■ cos30°), (14) aA = b2 ■ M ■ (Q ■ V,f)n-(2-V (0,059 + 0,52 ■ q) + 3-0,847) - 6 • q) -

-12-9-6-104-cos30°, (15)

а5 = ~24-д-со*30°-(1тр+1рт)-в-104-Уфп, (16)

"6 =6-1-Ь-«тр+1рт)-<2Л04Уф„, (17)

Для решения данного уравнения была написана программа. С помощью выше полученных зависимостей и данной программы было посчитано оптимальное значение максимального вылета манипулятора. В таблице 3 приведены полученные значения для некоторых регионов России.

Анализ результатов расчетов показал, что при исходных данных: минимальный вылет манипулятора 1,4 м, скорость машины между рабочими стоянками 0,8 м/с, суммарное времени на перевод технологического оборудования в рабочее положение и обратно в транспортное 10 с, площадь поперечного сечения коника 2,2 м2 оптимальное значение величины максимального вылета манипулятора уменьшается с увеличением запаса леса на 1 га и возрастает с увеличением среднего объема хлыста (рис. 6).

Таблица 3 - Рекомендуемая величина вылета манипулятора ВТПМ

Область Средний объем хлыста, м3 Средний диаметр, см Запас на Га, м3 Оптимальный вылет, м

Вологодская область 0,32 20,40 187 6,7

Республика Карелия 0,29 19,90 132 7,2

Мурманская область 0,18 18,80 54 8,6

Пермский край 0,38 21,00 212 6,6

Тюменская область 0,49 24,30 134 7,6

Красноярский край 0,71 29,00 137 7,8

Иркутская область 0,74 32,90 196 7,1

Сахалинская область 0,48 24,20 184 6,8

манипулятора для ВТПМ в зависимости от среднего объема хлыста и запаса леса на 1 га.

Так как запас леса на 1 га коррелируется с объемом хлыста (при увеличении объема хлыста возрастает, как правило, и запас на 1 га), то в рассматриваемом диапазоне М и q рекомендуется универсальный манипулятор вылетом 6,0-6,5 м

с телескопической вставкой длиной выдвижения 2 - 3 м. Однако такой манипулятор наиболее эффективно может использоваться после рекомендаций по величине максимального вылета.

В седьмом разделе рассматривается расчет мощности двигателя ВТПМ на основе имитационной модели. Для определения мощности необходимо рассчитать массу (объем) трелюемой пачки деревьев. При одном диаметре деревьев длина их, а, следовательно, и объем в насаждениях различных разрядов высот сильно отличается. Ввиду этого колеблются в значительных пределах объемы пачек.

Исследованиями КарНИИЛПа доказано, что для расчета параметров машины за пачку наибольшего объема (наибольшей массы) целесообразно принимать объем пачки (массу пачки) при F(Q) = 0,998, где F(Q) - функция распределения объемов пачек (масс пачек).

Задача сводиться к определению объемов пачек и вероятности их появления. Для этого разработана имитационная модель поступления деревьев в коник лесозаготовительной машины. На рис. 7 представлена блок-схема имитационной модели.

На первом этапе, на основе данных о фактическом распределении диаметров деревьев на лесосеках, без разделения их по породам и ярусам, подбираются законы распределения, с целю получения непрерывной величины. Затем с использованием встроенных функции в Microsoft Excel, позволяющих генерировать случайные числа и рассчитывать значения функции обратного распределения, имитируются диаметры деревьев, поступающих в зажимной коник dj.

На втором этапе генерируются породы деревьев 77,- на основе данных о составе насаждений (в процентах по запасу для различных областей России).

Генерирование диаметров и пород деревьев заканчивается, как только сум-

п

марная площадь поперечных сечений деревьев ^s. становиться равной площади

i=i

поперечного сечения кошка машины с учетом коэффициента полнодревесности SK .

На третьем этапе с учетом диаметра, породы и разряда высот PB рассчитываются по полученным эмпирическим формулам объемы стволов Vj, входящих

в пачку. Эмпирические формулы для расчета величины Vj получены путем аппроксимации таксационных таблиц объемов полиномом вида Vj = Ах2 + Вх + С, где X -диаметр хлыста на расстоянии 1 м от комля.

На четвертом этапе определяется объем древесины по породам, входящий

в формируемую пачку, без учета кроны Vj1 и ее масса Л/у7, а также масса

МкГ] и объем Vkj1 древесины по пародам с учетом кроны, с применением коэффициента перевода Кц ( Mj = К и • Vj, где Mj - масса дерева).

На пятом этапе определяется суммарный объем пачки без учета кроны Q и с учетом Qk , а также масса пачки с кроной Мк и без кроны M .

На шестом этапе имитационного моделирования многократно повторяется этапы с первого по пятый. Таким образом, имитировались пачки набираемые ВТПМ. После статистической обработки данных определялись вероятности пачек, с учетом того, что при достаточной величине числа испытаний относительная частота приближенно равна вероятности появления события.

Рис. 7. Блок-схема имитационной модели поступления деревьев в коник лесозаготовительной машины по объему и породе.

Необходимую силу тяги для трелевки пачки деревьев при Р(0) = 0,998 находим по уравнению тягового баланса, а затем по ней мощность двигателя. Были получены следующие значения мощности . ВТПМ для: Севера России - 151 кВт; Центра - 186 кВт; Урала - 192 кВт; Сибири-214 кВт; Карелии - 147 кВт.

Расчеты проводились при следующих исходных данных. Предполагаемая масса ВТПМ была принята 18 т. Коэффициент, учитывающий часть массы пачки приходящейся на машину составлял 0,6. Удельное сопротивление движению было принято 1800 Н/т, что соответствует движению трактора по влажному глинистому волоку. Удельное сопротивление движению трелюемой пачки составляло

6000 Н/т, что соответствует трелевки по летним волокам. Уклон рассчитывался как средневзвешенная величина фактических значений крутизны склона.

Расчеты проводились при следующих исходных данных. Предполагаемая масса ВТПМ была принята 18 т. Коэффициент, учитывающий часть массы пачки приходящейся на машину составлял 0,6. Удельное сопротивление движению было принято 1800 Н/т, что соответствует движению трактора по влажному глинистому волоку. Удельное сопротивление движению трелюемой пачки составляло 6000 Н/т, что соответствует трелевки по летним волокам. Уклон рассчитывался как средневзвешенная величина фактических значений крутизны склона.

Определена необходимая грузоподъемность шасси ВТПМ для трелевки пачки деревьев при = 0,998 . В таблице 4 приведены значения грузоподъемности в зависимости от средних таксационных показателей регионов России и площади поперечного сечения коника.

Таблица 4 - Грузоподъемность базового шасси для ВТПМ

Регион Грузоподъемность шасси при площади поперечного сечения, т

1,1 м2 2,2 м2 Зм2

Север 6-7 12-13 16,2- 18

Центр 8-9 16-17,5 22-24

Урал 8,5 - 9,5 17- 18,5 23-25

Сибирь 10-11 19,5-21 26,5 - 28,5

Карелия 6-7 12-12,5 - 16-17

В восьмом разделе дана технико-экономическая оценка технологического процесса с использованием ВТПМ в сравнении с современными машинизированными способами ведения лесосечных работ (рис. 8). Для пояснения отметим: X - харве-стер Ponsse Ergo; Ф - форвардер Ponsse Buffalo ADS; ВПМ - валочно-паке-тирующая машина John Deere 753J; С - скидцер John Deere 648Н; П - процессор John Deere 2154D; ТТМ - трелевочный трактор с манипулятором John Deere 17HD; ВТМ - вапочно-трелевочная машина TJIK-6-02; ВТПМ - валочно-треле-вочно-процессорная машина.

Рис. 8. Себестоимость заготовки сортиментов

Для сравнения технологий выбирались районы с наибольшим удельным весом лесопокрытой площади и объему рубок. Расчеты проводились при различных расстояниях трелевки от 100 до 1000 м и при разных годовых объемов заготовки леса от 40 до 250 тыс. м3.

В себестоимости содержания технологического оборудования учитывали следующие статьи затрат: основная и дополнительная заработная плата основных рабочих и обслуживающего персонала; отчисления на социальные нужды; затраты на ГСМ; ремонт; амортизация; прочие производственные затраты.

Технология с применением ВТПМ имеет наименьшие затраты на 1 м3 заготовленной древесины. Наиболее близким по этому показателю является технологический процесс ВТМ + П.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В диссертации разработана математическая модель технологического процесса заготовки древесины в сортиментах с использованием комплекса машин «харвестер + форвардер» (4) и (5), позволяющая сделать рекомендации по повышению производительности работы машин.

2. На основании анализа модели (4) и (5) доказано, что в условиях лесосеки, где проводились эксперименты по оценке параметров случайных процессов функционирования комплекса машин «харвестер + форвардер», повышение эффективности сортиментной заготовки леса может быть осуществлено путем группировки двух харвестеров и двух форвардеров в один комплекс.

3. Обоснован запатентованный способ заготовки деревьев с использованием валочно-трелевочно-процессорной машины, позволяющий повысить эффективность лесосечных работ.

4. Разработана математическая модель, позволяющая определять оптимальное значение максимального вылета манипулятора для принципиально новой ва-лочно-трелевочно-процессорной машины (11) - (17).

5. Разработана имитационная модель поступления деревьев в коник валоч-но-трелевочно-процессорной машины, позволяющая определить вероятность появления пачки определенной массы.

6. Рекомендована мощность двигателя для валочно-трелевочно-процессор-ной машины с площадью поперечного сечения коника 2,2 м2, которая должна составлять не менее: для Северо-Запада - 151 кВт, для Центральной России -186 кВт, для Урала - 192 кВт, для Сибири - 214 кВт.

7. Определены необходимые значения грузоподъемности базовых шасси для ВТПМ в зависимости от площади поперечного сечения коника и средних таксационных показателей: Северо-Запада, Сибири, Урала, Центральной России и Республики Карелия.

8. Вылет манипулятора вапочно-трелевочно-процессорной машины для средних условий регионов рекомендуется: для Карелии - 7,2 м, для Мурманской .области - 8,6 м.

9. Так как запас леса на 1 га коррелируется с объемом хлыста (при увеличении объема хлыста возрастает, как правило, и запас на 1 га), то в рассматриваемом диапазоне М и q рекомендуется универсальный манипулятор вылетом 6,0-6,5 м

с телескопической вставкой длиной выдвижения 2 - 3 м. Однако такой манипулятор наиболее эффективно может использоваться после рекомендаций по величине максимального вылета.

10. Предложенная технология заготовки сортиментов и щепы на лесосеке с использованием патента России № 2426303 имеет значительные преимущества: а) трелевка деревьев на лесосеке и заготовка сортиментов на погрузочной площадке производится одной машиной; б) для транспортировки отходов лесозаготовок не нужно использовать специальную транспортную машину, они образуются на погрузочной площадке в процессе работы ВТОМ; в) повышается производительность рубительных машин, так как кардинально снижаются непроизводительные затраты времени на переезды.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

Статьи

1. Шсгельман И. Р., Кузнецов А. В., Будни к П. В., Баклагин В. Н., Скрыпник В. И. Подготовка и переработка древесного сырья для получения щепы энергетического назначения (биотоплива) // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Сер. «Естественные и технические науки». 2010. № 8(113). С. 79-82. (доля участия 20 %).

2. Шегельман И. Р., Будник П. В. Обоснование максимального вылета манипулятора валочно-трелевочно-процессорной машины для различных природно-производствеиных условий И Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Сер. «Естественные и технические науки». 2011. № 4(117). С. 81-83. (доля участия 50 %).

3. Морозов Е. В., Шегельман И. Р., Будник П. В. Вероятностно-статистический анализ процесса заготовки сортиментов И Перспективы пауки. 2011. №7(22). С. 183-186. (доля участия 33 %).

4. Баклагин В. Н., Будник П. В. Обоснование универсальной лесозаготовительной машины для заготовки сортиментов и технологического процесса производства топливной щепы мобильными рубительными машинами на лесосеке. (Рук. Деп. в ВИНИТИ РАН 04.08.2008, № 660-В2008), 2008 - 22 с. (доля участия 50 %).

5. Полежаев К. В., Баклагин В. Н., Будник П. В., Щукин П. О. Исследование параметров щепы энергетического назначения, произведенной передвижными рубильными установками. (Рук. Деп. в ВИНИТИ РАН 19.01.2009, № 20-В2009), 2009. - 22 с. (доля участия 25 %).

6. Будник П. В. Методология решения изобретательских задач и ее реализация в лесной промышленности. (Рук. Деп. в ВИНИТИ РАН 09.04.2009, № 198-В2009). 2009 - 25 с.

7. Будник П. В., Скрыпник В. И. Обоснование масс и объемов пачек деревьев, трелюемых валочно-трелевочно-процессорной машиной с учетом природ-но-производственных условий и районов лесозаготовок / Актуальные проблемы лесного комплекса. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 27. - Брянск: БГТИТА, 2010 - С 3-6. (доля участия 50%).

Тезисы и материалы конференций:

8. Будник П. В. Способ заготовки сортиментов и производства топливной щепы на лесосеке. / Леса России в XXI веке: Материалы второй научно-практической интернет-конференции. Санкт-Петербург, 2009. - С. 131-134.

9. Будник П. В. Основные параметры и режимы работы машины для концентрации лесосечных отходов на погрузочном пункте. / X международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех - 2009»: материалы конференции. Ухта, 2009. - С. 225-228.

10. Будник П. В. Возможности применения теории массового обслуживания в решении задач повышения эффективности лесозаготовок. / Север и Арктика в новой парадигме мирового развития. Лузинские чтения - 2010 Тезисы докладов V Международной научно-практической конференции. 2010. -С. 123-124.

11. Скрыпник В. И., Будник П. В., Лукашевич В. М., Определение вероятности набора пачки деревьев различного объема в зависимости от параметров заготовки деревьев. / Актуальные проблемы развития лесного комплекса: материалы международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГГУ, 2010. — С. 48-51. (доля участия 35 %).

12. Будник П. В. Перспективная технология заготовки деловой древесины и энергетической щепы / Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике: материалы IX межд. науч.-техн. конф. -Петрозаводск, 2010. - С. 24-25.

13. Будник П. В., Баклагин В. Н. Совершенствование сквозного технологического процесса заготовки сортиментов и щепы энергетического назначения на лесосеке с использованием теории массового обслуживания и имитационного моделирования / Актуальные проблемы развития лесного комплекса: материалы международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2011. - С. 46^18. (доля участия 50 %).

Патенты:

14. Шегельман И. Р. Способ выполнения лесосечных работ агрегатной машиной. Патент России № 2426303, МПК: А0Ю 23/00 / И. Р. Шегельман, В. И. Скрыпник, П. В. Будник, В. Н. Баклагин. Опубл.: 20.08.2011.

15. Положительное решение РОСПАТЕНТА о выдаче патента на изобретение от 24.06.20 И «Способ производства щепы на лесосеке» авторов Будник П. В., Безлатный П. В. по заявке №2010118413, поданной 06.05.2010.

Свидетельства:

16. Будник П. В. Программа оптимизации вылета манипулятора валочно-трелевочно-нроцессорной машины для различных природно-производственных условий. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011614414 / П. В. Будник, В. Н. Баклагин. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.06.2011.

Подписано в печать 28.11.11. Формат 60x84 Ч\6. Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Изд. № 233.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Отпечатано в типография Издательства ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33

61 12-5/1275

Петрозаводский государственный университет

На правах рукописи

БУДНИК Павел Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ПОВЫШАЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗАГОТОВКИ СОРТИМЕНТОВ И ЛЕСОСЕЧНЫХ ОТХОДОВ

НА ОСНОВЕ

ФУНКЦИОНАЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

05.21.01. - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, ШЕГЕЛЬМАН Илья Романович

Петрозаводск - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................10

1.1. Анализ технологических процессов заготовки древесины..........................................10

1.2. Тенденции механизации лесосечных работ для заготовки деревьев, хлыстов и сортиментов.............................................................................................................................12

1.3. Тенденции механизации лесосечных работ для производства топливной щепы......23

1.4. Выводы по разделу...........................................................................................................33

2. АНАЛИЗ БАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЗАГОТОВКИ СОРТИМЕНТОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ ДЕЛОВОЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДРЕВЕСИНЫ........................................................................................................35

2.1. Выбор методов анализа базовых технологических процессов заготовки сортиментов с получением деловой и энергетической древесины...........................................................35

2.2. Применение вероятностно-статистического анализа в лесопромышленном комплексе.................................................................................................................................35

2.3. Вероятностно-статистический анализ процесса заготовки сортиментов с использованием комплекса машин харвестер + форвардер................................................42

2.4. Практическое приложение модели.................................................................................60

2.5. Выводы по разделу...........................................................................................................65

3. ФОРМИРОВАНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЗАГОТОВКИ ДЕЛОВОЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДРЕВЕСИНЫ.................. 69

3.1. Формулирование главной функции системы заготовки сортиментов и топливной

69

щепы на лесосеке.....................................................................................................................

3.2. Формирование технологических процессов заготовки сортиментов и топливной

73

щепы.........................................................................................................................................' ^

3.3. Выводы по разделу...........................................................................................................75

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................77

4.1. Цель экспериментальных исследований........................................................................77

4.2. Методика проведения экспериментов............................................................................77

4.3. Обработка результатов наблюдений..............................................................................81

4.4. Проверка адекватности модели.......................................................................................

оо

4.5 Выводы по разделу............................................................................................................7:7

5 ОБОСНОВАНИЕ ОБЩЕЙ КОМПАНОВКИ ВАЛОЧНО-ТРЕЛЕВОЧНО-ПРОЦЕССОРНОЙ МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТЫ........................101

5.1. Общая компоновка валочно-трелевочно-процессорной машины.............................101

5.2. Технология работы валочно-трелевочно-процессорной машины.............................110

5.3. Выводы по разделу.........................................................................................................118

6. ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ВЫЛЕТА МАНИПУЛЯТОРА...........................................................................120

6.1. Технологическое оборудование валочно-трелевочно-процессорной машины........120

6.2. Исследование оптимального значения максимального вылета манипулятора валочно-трелевочно-процессорной машины......................................................................120

6.3. Выводы по разделу.........................................................................................................131

7. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОЙ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ВАЛОЧНО-ТРЕЛЕВОЧНО-ПРОЦЕССОРНОЙ МАШИНЫ.........................133

7.1. Скорости движения лесозаготовительных тракторов на лесосеке...........................133

7.2. Обоснование массы трелюемой пачки для расчета мощности двигателя................134

7.3. Расчет необходимой мощности двигателя для валочно-трелевочно-процессорной машины...................................................................................................................................139

7.4. Выводы по разделу.........................................................................................................141

8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА ЗАГОТОВКИ ДРЕВЕСИНЫ ВАЛОЧНО-ТРЕЛЕВОЧНО-ПРОЦЕССОРНОЙ МАШИНОЙ ...............................................................................................................................143

8.1. Экономическая оценка технологического процесса с применением вал очно-трелевочно-процессорной машины.....................................................................................143

8.2. Выводы по разделу.........................................................................................................154

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................156

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................161

Приложение 1......................................................................................................190

Приложение 2......................................................................................................201

Приложение 3......................................................................................................212

Приложение 4......................................................................................................219

Приложение 5......................................................................................................236

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Важнейшую роль в лесопромышленном комплексе играют лесозаготовки, эффективность которых в настоящее время низка. Одна из важнейших причин этой ситуации заключается в том, что задача экономически эффективного комплексного освоения не только деловой древесины, но и отходов лесозаготовок окончательно не решены.

В настоящее время на лесозаготовках используют два принципиально отличающихся друг от друга технологических процесса:

а) заготовка древесины в хлыстах с последующей переработкой на нижних складах на сортименты;

б) заготовка сортиментов на лесосеке.

К сожалению, ни один из этих процессов не обеспечивает комплексного использования древесины, так как в обоих технологических процессах большая часть биомассы древесины (сучья, ветви и вершины) остаются на лесосеке в рассредоточенном виде, что осложняет её дальнейшее использование. В связи с этим древесина остающаяся на лесосеке после лесосечных работ не вовлекается в промышленный оборот. Например, в Республики Карелия процент дров, используемых для энергетических целей, в общем топливно-энергетическом балансе не превышает 4 %, а лесосечные отходы практически не используются. Сбор отходов после сортиментной заготовки преобладающей на СЗФО требует значительных трудовых и финансовых ресурсов, что делает их освоение не рентабельным.

Сегодня на рынке лесозаготовительной техники преобладает предложения иностранных производителей. В частности фирмы Финляндии, Швеции активно продвигают свои машины, и это происходит достаточно успешно ввиду отсутствия конкурентоспособной техники отечественного производства. Учитывая экономический потенциал лесопромышленного комплекса, такая страна как РФ должна иметь свое лесное машиностроение, но для его конкурентоспособности нужны и свои конкретные технические решения.

Несмотря на работы предшественников, выполненные в ЦНИИМЭ, СПбГЛТА, МГУЛе, Воронежской ГЛТА, Марийском техническом университете, ГНЦлеспроме, ПетрГУ, КарНИИЛПКе, Северном (Арктическом) федеральном университете и др. НИИ и вузах страны, для решения задачи комплексного освоения лесных ресурсов требуются проведение дополнительных исследований, направленных на разработку конкурентоспособных технологических и технических решений, повышающих эффективность и комплексность заготовки деловой и энергетической древесины.

Безусловно, что эта задача должна решаться на современном уровне научно-технического развития с использованием методов математического моделирования и современных информационных технологий, включая разработку методов решения возникших задач. Все это в целом обусловило постановку названной темы и ее выполнение в Петрозаводском государственном университете.

В связи с этим сформулированная задача, относящаяся к направлению «Рациональное природопользование», входящему в перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в России, весьма актуальна, поскольку ее решение позволит повысить эффектность и комплексность лесозаготовок.

Цель работы. Ввиду выше изложенного целью исследования являлась разработка технологических и технических решений, позволяющих повысит эффективность заготовки сортиментов и лесосечных отходов, базируясь на использовании методов вероятностно-статистического анализа и методологии функционально-технологического анализа.

Согласно поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

обосновать эффективную методологию анализа лесозаготовительных процессов;

обосновать способ заготовки древесины, позволяющий повысить эффективность лесозаготовительных работ, а также предложить компоно-

вочную схему и параметры новой лесозаготовительной машины, работающей по этому способу;

- разработать математическую модель для определения оптимального значения максимального вылета манипулятора валочно-трелевочно-процессорной машины (ВТПМ) в различных природно-производственных условиях;

- определить необходимую мощность двигателя для ВТПМ в различных природно-производственных условиях.

- получить результаты эксперимента по оценке случайных параметров процесса работы комплекса харвестер + форвардер в виде статистических характеристик и законов распределения.

- оценить экономическую эффективность предлагаемых технических и технологических решений.

Объекты и методы исследований. Технологические процессы и машины лесозаготовительной отрасли для заготовки деловой и энергетической древесины. При исследовании применялись методы вероятностно-статистического анализа, математического моделирования, математического программирования, вычислительные эксперименты на ЭВМ, натурные эксперименты, хро-нометражных наблюдений. При разработке новых технических и технологических решений применялись: морфологический анализ и его модификации, функционально-технологический анализ, элементы функционально-стоимостного анализа.

Научная новизна. Разработана и апробирована математическая модель для анализа технологических процессов заготовки леса в сортиментах с использованием комплекса машин харвестер + форвардер и выработки рекомендаций по повышению их эффективности. Модель основана на методологии, опирающейся на методы вероятностного анализа, развитого в теории очередей.

Доказано, что повышение эффективности сортиментной заготовки леса в рассмотренных условиях может быть осуществлено путем применения лесозаготовительных машин в комплектации два харвестера + два форвардера.

Обоснован новый способ заготовки деревьев, повышающий эффективность заготовки деловой и энергетической древесины, а также компоновка и основные параметры лесозаготовительной машины для его реализации.

Разработана математическая модель для определения рационального вылета манипулятора валочно-трелевочно-процессорной машины (ВТПМ) в зависимости от природно-производственных условий.

Разработана имитационная модель поступления деревьев в коник ВТПМ с целю последующего определения необходимой мощности двигателя для данной машины.

Теоретическая и практическая значимость. Доказана эффективность приложения методики основанной на вероятностно-статистическом анализе.

Результаты исследования являются научной основой для принятия решений при выборе технологий и систем лесозаготовительных машин для лесозаготовительных предприятий в различных природно-производственных условиях и могу быть использованы при проектировании новых конструкций машин, обеспечивающих заготовку деловой и энергетической древесины. Работа выполнена в рамках важнейших НИОКР Республики Карелия (госконтракт № 125 2009 г. «Научно-методическое сопровождение процессами функционирования лесопромышленного комплекса Республики Карелия в условиях принятия спектра полномочий, ранее осуществляемых федеральным центром» , № 126 2009 г. «Мониторинг состояния и прогнозирования развития лесопромышленного кластера Республики Карелия»). Результаты исследований внедрены на предприятии ЗАО «Шуялес».

Научные положения, выносимые на защиту. Обоснование эффективности использования методологии опирающейся на методы вероятностного анализа, развитого в теории очередей, для моделирования лесозаготовитель-

ных процессов и разработанная на этой основе математическая модель процесса функционирования комплекса харвестер + форвардер.

Рекомендации по повышению эффективности лесозаготовительного комплекса харвестер + форвардер путем использования комплекса машин в составе два харвестера + два форвардера.

Результаты эксперимента по оценке случайных параметров процесса работы комплекса харвестер + форвардер в виде статистических характеристик и законов распределения для предприятия ЗАО «Шуялес».

Технологические и технические решения, повышающие эффективность освоения древесной биомассы.

Математическая модель определения оптимального вылета манипулятора новой лесозаготовительной машины и полученные на ее основе рекомендации.

Имитационная модель поступления деревьев в коник лесозаготовительной машины и полученные на ее основе рекомендации по мощности двигателя валочно-трелевочно-процессорной машины на трелевке для разных регионов России.

Достоверность научных исследований подтверждается значительным статистическим материалом, полученным в реальных природно-производственных условиях Республики Карелия, использованием фундаментальных методов теории вероятности и математической статистики, непротиворечивостью полученных результатов этим теориям, адекватностью разработки моделей, внедрением результатов исследований.

Апробация работы. Основные результаты исследований были обсуждены на Международных научных конференциях «Леса России в 21-ом веке» (С-Пб, 2009), «Север и Арктика в новой парадигме мирового развития» (Апатиты, 2010), «Севергеотех-2009» (Ухта, 2009), «Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике» (Петрозаводск, 2010), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2010 и 2011), на

заседаниях НТС КарНИИЛПКа ПетрГУ и кафедры технологии и оборудования лесного комплекса ПетрГУ.

Публикации. Основное содержание работы представлено в 16 опубликованных работах, из них - 3 публикации в центральных рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, 2 - патент, 1 - свидетельство о регистрации

программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения, списка использованной литературы из 300 наименований. Общий объем работы: 169 е., 75 рисунков, 36 таблиц, 91 формула.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ технологических процессов заготовки древесины

На сегодняшний день человечеству известно достаточно много различных способов заготовки древесины. Способы заготовки можно разделять по многим классификационным признакам, но обычно разделение основывается на том, в какой форме древесина трелюется на придорожный склад (погрузочную площадку). Исходя из этого, основные способы лесозаготовки можно разделить на четыре основных группы: заготовка сортиментами, хлыстами, целыми деревьями и щепой.

В таблице 1.1 даны упрощенные схемы основных способов заготовки древесины с информацией об выполняемых отдельных операциях.

Таблица 1.1 - Способы лесозаготовок

Способы Делянка Трелевка Верхний склад (придорожный склад) Вывозка

Сортименты Валка, обрезка сучьев, раскряжевка Сортиментами Штабелевка Сортиментами

Хлысты Валка, обрезка сучьев Хлыстами Раскряжевка, штабелевка Хлыстами, частями хлыстов, сортиментами

Целыми деревьями Валка Целыми деревьями Обрезка сучьев, раскряжевка, штабелевка Деревьями, хлыстами, частями хлыстов, сортиментами

При сортиментном способе дерево валят, обрезают сучья и уже на делянке разделывают на готовые сортименты, которые трелюют в отдельные

штабеля, находящиеся на погрузочной площадке. Валка, обрезка сучьев и раскряжевка выполняются либо вручную вальщиком при помощи бензопилы, либо харвестером. Трелевку осуществляют грузовым трактором (форварде-ром) или при помощи сельскохозяйственного трактора. С погрузочной площадки древесина перевозится сортиментами на переработку. Сортиментный способ считается более экологичным, чем хлыстовой [55], [213]. Древесина повреждается при трелевке меньше. Однако машины сортиментной заготовки сложнее и дороже, чем машины для хлыстового способа.

Отметим, что сегодня на Северо-Западе России активно развивается именно это направлени