автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Повышение эффективности производства пиломатериалов при автоматизации операций на участках обрезки и сортирования

Введение

1. Состояние вопроса

1.1 Результаты анализа факторов, влияющих на 8 интенсивность потока пиломатериалов с участка обрезки на участок сортирования

1.2 Краткий обзор работ, выполненных по 16 направлению исследований

1.3 Выводы, цель и задачи исследований

2. Отличительные признаки параметров бревен и 25 пиломатериалов

2.1 Методические положения

2.2 Распределение пиловочных бревен по 28 диаметрам

2.3 Распределение пиловочных бревен по длинам

2.4 Количественное распределение времени распи- 37 ловки бревна средней длины в зависимости от диаметров

2.5 Распределение ширин

2.5.1 Оценка рассеивания ширин боковых досок

2.6 Распределение количества досок с учетом 44 рассеивания

2.7 Распределение длин тонких досок

2.8 Выводы

3 Характеристика входного потока пиломатериалов, поступающего на участок обрезки

3.1 Общие методические положения

3.2 Статическая характеристика потока необрез- 54 ных досок

3.3 Временная характеристика потока необрезных 59 досок

3.4 Количественная характеристика потока 63 необрезных досок

3.5 Статические характеристики продолжительное- 66 ти обслуживания потока тонких досок на участке обрезки

3.6 Временные характеристики продолжительности 69 обслуживания необрезных досок

3.7 Количественная характеристика продолжитель- 73 ности обслуживания потока тонких досок на участке обрезки пиломатериалов

3.8 Выводы

4. Требования бесперебойной работы на участке обрезки пиломатериалов

4.1 Общие методические положения

4.1.1 Основные ограничения

4.1.2 Условия и ограничения, принятые при 78 разработке алгоритма

4.2 Описание логической структуры программы

4.3 Описание алгоритма модели

4.4 Реализация результатов программирования

4.4.1 Результаты моделирования

4.4.1.1 Количественное распределение

Лесопильный поток, начиная с поступления сырья и заканчивая отгрузкой пилопродукции, является непрерывным. Важным условием непрерывности работы лесопильных линий является четкая синхронизация технологического оборудования лесопильного потока. Это означает, что все технологические и транспортные звенья должны работать с согласованной пропускной способностью в определенном производственном ритме. Если проводить синхронизацию оборудования в линиях на максимально критические условия, имеющие небольшую вероятность возникновения, или на средние величины - это приведет либо к значительному завышению числа и параметров оборудования в потоках, либо к нарушению ритмичности работы оборудования. С другой стороны, расчет без учета реальных рабочих циклов технологического оборудования и условий функционирования линий приводит к снижению производительности лесопильных потоков из-за возникающей асинхронности оборудования. Отсюда вытекает необходимость в согласовании основных параметров производственных процессов на основе закономерностей и особенностей их функционирования во времени.

Труднопрогнозируемость количества сечений тонких пиломатериалов приводит к нарушению синхронной работы технологического оборудования на участках обрезки и сортирования тонких пиломатериалов, что в свою очередь, снижает производительность всего лесопильного потока при значительных потерях выхода пилопродукции (до 2%). 6

Все вышеизложенное предопределяет необходимость комплексного расчета синхронизации технологического оборудования линий при согласовании входных и выходных потоков материалов, за счет чего обеспечивается стабильность технологического процесса производства. Это определяет возможность автоматизации операций на участках обрезки и сортирования пилопродукции. Эти задачи особенно актуальны при проектировании и модернизации современных автоматизированных процессов лесопильного производства.

Поэтому повышение эффективности автоматизированного производства пиломатериалов на основе согласования потоков сырья и пилопродукции путем синхронизации работы технологического оборудования является актуальным

1. Состояние вопроса

Требования, предъявляемые к участку обрезки пиломатериалов лесопильного потока, обусловлены необходимостью эффективного раскроя пиловочного сырья и особенностями построения потока. Участок обрезки должен иметь достаточную пропускную способность и обеспечивать рациональный раскрой поступающих к нему необрезных пиломатериалов с учетом их размерных и качественных параметров.

Длительность одного цикла (время на обработку одной доски) с учетом перекрытого времени и времени на отбраковку горбылей составляет в среднем 5-5,4 с, но обычно колеблется от 2-2,5 до 6-8 с [34]. Таким образом, средняя пропускная способность участка обрезки с одним обрезным станком составляет 11-12 досок в минуту. Среднепросветный рамный поток при работе с брусовкой вырабатывает в минуту от 7 до16 досок, требующих обрезки. Поэтому недостаточная производительность участка обрезки приводит, с одной стороны, к снижению производительности лесопильного потока в целом, с другой стороны, к дополнительным потерям материала.

Из-за расположения участка обрезки непосредственно за головным оборудованием и невысокой пропускной способности обрезных станков возникают потери выхода пиломатериалов по вине операторов (около 2% от сырья) из-за высокой интенсивности труда рабочих. Более достоверные сведения о потерях выхода из-за ошибок операторов при обрезке пиломатериалов были получены в Швеции. При пересчете для усредненных условий (тонкие боковые доски составляют 25-30% всего объема продукции, общий выход 55%) получается, что уменьшение выхода из-за ошибок операторов составляет 1,1-2,8% [41] от сырья. По данным исследований, выполненных в ЦНИИМОД А.М.Копейкиным получены аналогичные результаты. Потери выхода из-за неточной установки необрезных пиломатериалов по пилам обрезного станка определяются в основном темпом обработки и повышаются с увеличением количества пиломатериалов, обрабатываемых в единицу времени. Потери выхода из-за ошибок при назначении ширины обрезки зависят только от ширины партии обрабатываемых пиломатериалов и уменьшаются с увеличением этого параметра. Удельный вес потерь выхода по каждой из двух причин примерно одинаков.

Приведенные данные позволяют сделать вывод, что при существующем уровне организации участок обрезки современного рамного потока не может обеспечить выполнение предъявляемых к нему требований в отношении пропускной способности, рациональности раскроя необрезных пиломатериалов и качеству обрезки, а как следствие, высокопроизводимую и эффективную работу всего лесопильного потока.

Наряду с изменением структуры лесопильного потока, а так же схемы раскроя необрезных пиломатериалов одним из возможных направлений решений совершенствования участка обрезки пиломатериалов является автоматизация этой операции.

4.6 Выводы

Предложен метод оценки количественного и объемного распределения тонких досок, транспортных и сушильных пакетов с учетом изменений размеров бревен и рассеивания ширин досок;

120 продолжительности обслуживания заявок в зависимости от характеристик сырья.

Разработан алгоритм функционирования системы "обрезка-сортирование" пиломатериалов при планировании их производства для формирования одноразмерных транспортных и сушильных пакетов.

На основе алгоритма разработана программа функционирования системы ''обрезка-сортирование". Предусмотрен расчет для ожидаемого распределения пиловочного сырья (для условий работы АО "ЛЗ №3" Архангельского лесопромышленного узла) и в зависимости от наличия сырья на складе.

Сформулированы требования к организации участка обрезки пиломатериалов для обеспечения бесперебойной работы лесопильного гюгока, включая участки сортирования и формирования сушильных пакетов.

На основании рассмотренных вариантов организации участка обрезки выбраны: для автоматизированной - первая и третья схемы. В соответствии с целью работы выполнению заданных условий удовлетворяют первая и вторая схемы.

5. Эффективность результатов исследований

5.1 Общие положения

Априори качество и структура продукции по вариантам (базовому и предлагаемому) одинакова. Приведение вариантов в сопоставимый вид осуществляется по объемным показателям продукции. Исходя из предположения, что объем пиломатериалов по предлагаемому варианту не снижается, - достаточно считать объем пиломатериалов в базовом варианте равным объему пиломатериалов в проектируемом [59].

Корректное определение производительности оборудования лесопильных потоков влияет на выбор количества потребного оборудования, возможность построения синхронизированной системы машин, объемно-календарного планирования и, как следствие, - на себестоимость продукции, капитальные вложения и рентабельность производства.

Многообразие факторов, влияющих на величину производительности, зачастую действующих одновременно с противоположными знаками, не позволяет использовать для расчетов усредненные показатели. Так по В.Г. Турушеву, при расчете требуемой производительности по максимальной интенсивности выхода пиломатериалов из лесопильного цеха, пропускная производительность сортировочно-пакетирующих линий завышается в 1,5 раза. Это приводит к неоправданному использованию линий с повышенной производительностью или к увеличению числа линий.

Расчет на средние величины интенсивности входящего потока пиломатериалов приводит к значительному снижению возможной производительности потока из-за асинхронности в работе оборудования. Поэтому, в диссертации предложена система проектирования лесопильных потоков, включая участок сортирования сырых пиломатериалов, которая основывается на применении вероятностных методов расчета. Это позволяет оценить и учесть не только доминирующие факторы, но и каким образом осуществляется их влияние на производительность оборудования рассматриваемого участка.

Оптимизация партии запуска состоит в определении величины объема такой партии, которая бы обеспечивала минимум затрат. Очевидно, что с увеличением партии запуска в возможных пределах производительность технологического оборудования увеличивается. При этом уменьшаются удельные капитальные затраты и себестоимость обработки одного кубометра пиломатериалов данной партии. Вместе с тем возрастает объем буферных складов, увеличиваются вложения и себестоимость на хранение пиломатериалов. Может иметь место и противоположный вариант.

При равных условиях, таких параметров как, сечение и длина пиломатериалов, тип и объем поступающих и формируемых пакетов, влажность, порода, режимы и других - оптимизация загрузки оборудования достигается на основе планирования производства пиломатериалов заданных размеров и количества с учетом вероятностных характеристик изменчивости совокупности действующих факторов.

5.2 Оценка эффективности от снижения потерь производительности оборудования

При традиционной технологии под влиянием ряда факторов выходной поток пиломатериалов по своим параметрам значительно отличается от расчетного.

Вариация размерных параметров досок обуславливается изменчивостью геометрических характеристик бревен, брусьев, необрезных досок, потерями производительности вследствие остановок оборудования, рассеивания и многими другими, как отмечается в диссертации, и в последствии негативно сказывается на производительности сортировочно-пакетирующих и других участков и линий.

При расчете производительности участков по обращению с обрезными пиломатериалами ориентируются на следующие положения. После обработки первоначальной партии запуска (или потока пиломатериалов, выпускаемых лесопильным цехом) с формированием плотных пакетов образуется первичный остаток, объем которого не позволяет получить плотные пакеты. Здесь имеется ряд способов вывода этого остатка пиломатериалов из обращения. Например, по Р.Е.Калитеевскому [34], может быть принят вариант с формированием пакетов меньших сечений. Или, в частности, по В.Г.Турушеву [92], этот остаток может распределяться по накопителям и пакетироваться в плотные пакеты разных длин. По мнению авторов и на основании выводов других исследователей, это позволит свести к минимуму величину третьего остатка. Накопление достаточного для сортирования объема пиломатериалов из третьего остатка может осуществляться достаточно продолжительное время, что скажется и на качестве досок.

Выполненные нами исследования позволяют более точно прогнозировать параметры потока пиломатериалов и управлять его интенсивностью. Это дает основание предполагать получение эффективности по следующим статьям затрат.

Производительность линий ЛСД зависит от: сечения досок, размеров пакетов, объема пропускаемой партии, качественного состава, метода переработки остатков.

При этом могут иметь место следующие случаи: а) остатки от предыдущей партии на линию не возвращаются; б) остатки от предыдущих партий пропускаются вторично с последующими партиями; в) остатки от предыдущих партий вторично не пропускаются через сортировочный узел, а подаются непосредственно на пакетирующую установку.

При равных условиях с учетом минимально возможного преимущества по временному распределению пиломатериалов на основании выдвинутого нами плана построения схемы функционирования системы и изменения параметров потока имеем: затраты времени на пропуск доски составляет диапазон (22 мм -толщина, 75.200 мм - ширина) - 1,16.1,4 с; требуемая производительность линий 60.64 уп/мин, 42,9.50,8 досок/мин.

При средней производительности рамного потока 50000 м3 пиломатериалов в год с учетом 30% тонких досок, времени обработки 1.16 с - получим экономию времени 1 мин в смену. Ликвидация этих простоев обеспечит производительность

450* 100)/(450-1)= 100,23%, где 450 - продолжительность смены за вычетом двух перерывов по 15 м и н.

Таким образом, прирост производительности составит 0,23%.

Производительность линий ЛСК зависит: от размеров досок и характера распределения сортообразующих пороков; размеров формируемых пакетов; объема сортируемой партии.

Время простоя, связанное с выдачей пакета, изменяется в диапазоне 0.32.0,44 мин. Затраты времени на торцовку и сортировку одной доски - 3,34.3,92 с. Пропускная способность линии 17.22 уп/мин; 15,3.18 дос о к/мин.

Ликвидация потерь производительности вследствие обоснованного планирования параметров потока пиломатериалов составит 1,7 мин (0.3 8%).

Производительность линий ПФЛ зависит от: сечения досок; объема и типа формируемых пакетов; вида пиломатериалов; объема поступающих пакетов и объема поступающей партии.

Здесь потери времени на загрузку очередного пакета составляет 1.3 2 мин.

При увеличении числа полнодревесных пакетов снижение не эффективного времени составит 4,2 мин (0,94%).

При формировании сушильных пакетов для камерной сушки производительность зависит от: сечения пропускаемых досок; объема формируемого пакета и его типа; размеров поступающего пакета и объема партии запуска. Здесь время простоя, связанное с отводом готового пакета 1,3 мин. Снижение потерь времени на обработку сменного объема пиломатериалов составит 3,4,мин (0,76%).

Производительность сушильного хозяйства при времени работы камер 335 суток в год предлагаемые мероприятия уменьшают число оборотов на 13 суток (0,9%).

Таким образом, научно обоснованная организация процесса лесопиления позволит:

-снизить время простоя обрезных станков на 1,4 мин/рамосмену и обеспечит резерв производительности (0,3 1%). Эффект связан с экономией условно-постоянных затрат (20%) от полной себестоимости производства пиломатериалов. При средней цене 100 у.е. за 1 м~' -Эобр=69(1,003 1-1)=0,21 у.е./м"5 пиломатериалов, -снизить время неэффективной работы линий сортирования пиломатериалов по сечениям (и длинам) на 1 мин/смену и обеспечит резерв производительности 0,23%.

Элсд=0,16 у.е./м'3 пиломатериалов, -уменьшить потери эффективного времени работы линий ЛСК на 1.7 мин и обеспечить резерв производительности на 0,3 8%.

Элск=0,26 у.е./м'3 пиломатериалов, -сократить потери времени обращения пиломатериалов на линии ПФЛ на 4.2 мин, увеличить их производительность на 0,94%.

Эпфл = 0,65 у.е./м"3 пиломатериалов, -при формировании сушильных пакетов сократить время простоев на 1.3 мин и обеспечить резерв производительности на 0,76%.

Эсуш.л=0,52 у.е./м пиломатериалов, -увеличить производительность сушильных камер периодического действия на 0,9%. Эс.к. =0,62 у.е./м3 пиломатериалов.

Суммарная централизованная эффективность от внедрения требований бесперебойной работы оборудования составит 2,42 у.е./м3 пиломатериалов в год.

Повышение производительности комплекса оборудования участков при внедрении мероприятий составит 3,52%.

Рост производительности труда на участке выпуска пиломатериалов -1,14 раза.

Заключение

Синхронизация работы технологического оборудования на участках обрезки и сортирования пилопродукции на основе согласования входных и выходных потоков материала необходима и должна осуществляться с учетом научно обоснованных зависимостей и изменчивости параметров перерабатываемых бревен и выпиливаемых пиломатериалов; определения условий обеспечения бесперебойной работы технологического оборудования. В результате исследований:

1. Установлены параметры входного потока бревен: анализ полученных количественных распределений поступающих в распиловку бревен показал, что интенсивность колебаний зависит от диапазона диаметров перерабатываемых бревен, причем верхняя (максимальное количество) и нижняя (минимальное количество) границы оценки: для тонкомера наблюдается увеличение числа бревен для минимального распределения на 46,68%, максимального на 46,59% (среднее 45,45%); для бревен средних диаметров и крупномера - уменьшение соответственно на 99,18%, 98,47% (среднее 98,89%); при увеличении диаметра с 12 до 40 см количественное распределение средних длин уменьшается в среднем на 7,22%, а по сравнению с максимальным значением на 9,42%; по всему диапазону колебаний параметров бревен время их распиловки увеличивается и составляет в среднем 75,21%.

2. Установлены характеристики потока необрезных досок: получены распределения среднего и максимального количества тонких пиломатериалов по ширинам с учетом рассеивания, а так же их длин по группам ширин от длины бревна; получены зависимости распределений параметров пиломатериалов от диаметров перерабатываемых бревен с учетом поставов и диапазонов диаметров одновременно перерабатываемых бревен.

3. Определены параметры обслуживания потока необрезных пиломатериалов при формировании их ширин: установлены распределения времени рабочего цикла обрезного станка при изменении длин необрезных пиломатериалов и скорости подачи с учетом параметров входного потока бревен и поставов; доказано, что буферный запас перед каждым обрезным станком, обслуживающим определенную группу ширин пиломатериалов, будет определяться соответствующим значением среднего числа пиломатериалов в межоперационном запасе, деленным на число станков, обслуживающих данную группу ширин пилопродукции.

На основании выполненных исследований и полученных результатов: разработан алгоритм и модель функционирования системы "обрезка-сортирование" пиломатериалов на основе планирования количественного и объемного распределения тонких пиломатериалов с учетом влияния характеристик пиловочного сырья и рассеивания ширин пиломатериалов; подтверждено, что использование предложенного метода позволяет повысить эффективность и производительность работы оборудования на участках обрезки и сортирования путем синхронизации входного и выходного потока пиломатериалов и выполнения технологических условий организации участка обрезки для обеспечения бесперебойной работы технологического оборудования лесопильного потока за счет более точного

129 прогнозирования основных факторов и возможности управления ими.

Суммарная централизованная эффективность от внедрения требований бесперебойной работы оборудования составит 2,42 у.е./м пиломатериалов в год. Повышение производительности комплекса оборудования участков при внедрении мероприятий составит 3,52%. Рост производительности труда на участке выпуска пиломатериалов -1,14 раза.

1. Айзенберг A.M., Любина П.В. Комплексная механизация участков обрезки досок.//Деревообр. пром-сть.-1969.-№12.-С.8-10.

2. Аксенов П.П. Теоретические основы пиловочного сырья.-М.: Гослесбумиздат, 1960.-216с.

3. Аксенов П.П. Технология пиломатериалов.-М.:Лесн. пром-сть, 1976.- 479с.

4. Алдохин II.П. Теория массового обслуживания в промышленности,- М.:Экономика.1970.-207с.

5. Алексеев А.Е. Ресурсосберегающие технологии раскроя пиловочного сырья //Автореферат.-Арх-ск ,1998,- 46с.

6. Алексеев А.Е., Рогатых А.Л., Царев Е.Г. Расчет рациональных поставов на распиловку бревен при их ориентации по образующей.// Инф. Сборник ВНИПИЭИлеспром./ Лесн. и деревообр. пром-сть.-1 990.-№16.-С.14-15.

7. Алехин М.Ю., Иванова Л.Н., Меламуд Т.И. Применение теории массового обслуживания для решения производственных задач. Учебное пособие. -Л.: Изд.ЛКИ, 1989,- 66с.

8. Альбом поставов для распиловки хвойных пиловочных бревен на экспортные пиломатериалы.-Арх-ск. :ЦНИИМОД, 1971 .-337с.

9. Альбом поставов и выходов продукции при распиловке хвойного и мягколиственного сырья.- Арх-ск :ЦНИИМОД, 1992.-410с.

10. Береснев P.C. Расчет ритма работы лесопильного потока.

11. М.,1980, вып4.-12с. (Экспресс-информ. Сер. Механическаяобработка древесины / ВНИИПИЭИлеспром)

12. Вызов В.И., Иванищев Ю.П. Надежность лесопильногооборудования.-М.,1972.-127с.

13. Вильке Е.А. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов лесопромышленныхпредприятий. 4.II.-M.: Лесн. пром-сть, 1964.-388с. Власов Е.Д. Лесопильное производство.-М.:Еослесбумиздат, 1948.-399с.

14. Гмурман В. С. Руководство к решению задач по теории вероятности и математической статистике. Учеб.пособие для втузов.Изд. 3-е, перераб. и доп.- М.: Высшая школа,1979.-400с.

15. Гмурман В. С. Теория вероятностей и математическая статистика.-Учеб.пособие для студентов втузов.Изд. 5-е, перераб. и доп.- М.: Высшая школа, 1977.-479с.

16. Голуб A.A., Струкова Е.Б. Экономика природопользования.-М.: Аспект Пресс, 1995.-188с.

17. ГОСТ 26002-83Э. Пиломатериалы хвойных пород северной сортировки, поставляемые для экспорта. Технические условия. Введ. 01.01.75.- М.:Изд-во стандартов, 1974,-12с.

18. ГОСТ 24454-80. Лесоматериалы хвойных пород. Размеры.-Взамен ГОСТ 8486-66; Введ. 01.01.81.-М.: Изд-во стандартов, 108 1 .-3 с.

19. ГОСТ 26002-83. Пиломатериалы хвойные северной сортировки. Технические требования.-М. :Изд-во стандартов, 1983.-17с.

20. ГОСТ 8486-66. Пиломатериалы хвойных пород.-Взамен ГОСТ 8486-57; Введ.01.01.67.-М.:Изд-во стандартов,1966.-16с.

21. Грачев A.B. Рациональный раскрой пиловочного сырья на пиломатериалы в современных условиях,- Л.: ЛЛТА, 1980.-42с.

22. Грачев A.B.,Огурцов Г.М. Механизация и оптимизация сортировки сырых пиломатериалов.//Деревообр-щая пром-сть.-1981.-№4.-С.22-23.

23. Дрейер O.K., Лось В.А. Экология и устойчивое развитие.: Учебное пособие.-М.: Изд-во УРАО, 1997.-224с.

24. Дьяконов A.A., Сумароков A.M., Шатилов Б.А. Интенсификация лесопильного производства.- М.: Лесн. пром-сть, 1988.-168с.

25. Золотухина Л.А. Теория массового обслуживания в приложении к задачам судостроения. Учебное пособие,- Л.: Изд.ЛКИ, 1989.-106с.

26. Иванов Ю.Н., Токарев В.В. Оценивание эффективности новых технологий по межотраслевым моделям. // Научные труды. Модели и методы в прогнозировании науч.-техн. прогресса / ВНИИСИ.-1984,- вып.2.-С.4-18.

27. Инструкция по расчету производственных мощностей лесопильных цехов, потоков и установок. Арх-ск: ЦНИИМОД, 1978.-84с.

28. Калитеевский P.E. Технология лесопиления. -М.:Лесн. пром-сть, 1986,-149с.

29. Калитеевский P.E. Автоматизация производственных процессов в лесопилении.-М.: Лесн. пром-сть ,1979. 336с.

30. Калитеевский P.E., Фаллер A.II. Браковка и сортировка продукции лесопиления и деревообработки.-М.: Лесн. промсть, 197 1 .-266с.

31. Канторович Л.В., Залгаллер В.А. Рациональный раскрой промышленных материал о в.-Новосибирск.: Наука, 1971 .-217с.

32. Климов Г.П. Стохастические системы обслуживания. -М.: Наука, 1966.-136с.

33. Клюев В.А., Турушев В.Г., Малыгин С.И. Инструкция по специализации лесопильных предприятий по толщинам вырабатываемых пиломатериалов,- Арх-ск.: ЦНИИМОД, 1973.-36с.39