автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Раскрой бревен в гибких технологиях лесопиления

На правах рукописи

Шако Олег Игоревич

РАСКРОЙ БРЁВЕН В ГИБКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ ЛЕСОПИЛЕНИЯ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки,

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2009

003464410

Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Московский государственный университет леса»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Рыкунин

Станислав Николаевич

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Кириллов

Алексей Николаевич

кандидат технических наук, Крюков Николай Иванович

МП «Дом» (ООО)

Защита состоится 03.04.2009 в 10-00 на заседании диссертационного совета Д.212.146.03 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, г. Мытищи Московской области ул. 1-я Институтская, 1, МГУЛ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского университете леса

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Г\ К<

Рыбин Борис Матвеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

На экономические показатели технологических процессов раскроя брёвен влияют факторы, связанные с повышением производительности и увеличением коэффициента выхода пиломатериалов. Кроме того, на себестоимость пилопродукции значительное влияние оказывают процессы сортирования брёвен, образующие с процессами раскроя взаимосвязанную производственную систему.

Традиционные технологии лесопиления предусматривают распиловку бревен в пределах одного четного диаметра. Это условие требует большого количества сортировочных мест для сортирования бревен и, следовательно, больших производственных площадей. Растут капитальные вложения и эксплуатационные затраты, увеличивается себестоимость продукции.

В связи с совершенствованием налогового законодательства повышается налогообложение территорий, занятых под производственные нужды. Неуклонно растут цены на земельные участки, особенно в границах городов и населённых пунктов. Это заставляет искать пути сокращения производственных площадей лесопильных предприятий, в первую очередь, для складских и сортировочных работ.

В последние годы в лесопилении получают развитие гибкие технологии для группового раскроя пиловочного сырья. При гибкой технологии раскроя создается возможность раскраивать брёвна в широком диапазоне диаметров благодаря применению автоматически настраиваемых поставов на лесопильном оборудовании с поперечным перемещением пил (или предмета обработки). Это позволяет либо полностью исключить процесс сортирования бревен, либо значительно сократить его до 2-4 групп.

Переход к гибким технологиям группового раскроя пиловочного сырья ставит целый ряд задач научных исследований. Важнейшей из них является разработка комплексных методик, позволяющих рассчитывать поставы для выработки обрезных пиломатериалов заданных размеров совместно с определением границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования. Операция классифицирования брёвен, выполняемая непосредственно перед лесопильным оборудованием, предусматривается для гибких технологий раскроя с целью определения размерных характеристик бревна и выбора для него соответствующего настраиваемого постава и скорости подачи станка.

Актуальность диссертационной работы вытекает из необходимости повышения эффективности функционирования системы «сортирование-

раскрой брёвен» для гибких технологий лесопиления при рациональном сокращении групп сортирования брёвен.

Цель и задачи исследований

Основной целью диссертационной работы является исследование и разработка рекомендаций по совершенствованию процессов сортирования, классифицирования и раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров в условиях использования гибких технологий для группового раскроя пиловочного сырья.

В диссертации согласно поставленной цели решались следующие задачи:

- создание новой комплексной методики, математической модели и компьютерной программы расчёта поставов для группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров и определения границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования;

- теоретическое доказательство экстремальных свойств функции коэффициента выхода пиломатериалов от диаметра брёвен;

- разработка алгоритмов сортирования и классифицирования брёвен разных длин с целью повышения коэффициента выхода пиломатериалов;

- анализ влияния различных факторов на выход пиломатериалов и параметры сортирования и классифицирования брёвен на основе математического моделирования;

- расчёты поставов и параметров сортирования и классифицирования брёвен для различных гибких технологий лесопиления и разработка рекомендаций по их использованию.

Методы исследований

- При выполнении диссертационной работы использовались теория раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы, методы математического анализа и численного моделирования.

- Для апробации математической модели ставился эксперимент в производствейных условиях, обработка результатов эксперимента проводилась методами математической статистики.

- Компьютерная программа составлена на языке Object Pascal.

Научная новизна работы

1. Впервые разработана комплексная методика и математическая модель расчёта поставов для группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров, обеспечивающая поиск оптимальных диаметров брёвен и определения границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования.

2. Выполнен математический анализ экстремальных свойств функции коэффициента выхода пиломатериалов от диаметра брёвен; в окрестностях оптимального диаметра рекомендован выбор диапазона диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования.

3. Исследованы алгоритмы сортирования и классифицирования брёвен разных длин и теоретически обоснована эффективность комбинированного алгоритма.

4. На основе разработанной модели получены результаты моделирования процессов раскроя, сортирования и классифицирования брёвен с целью анализа влияния различных факторов на выход пиломатериалов и параметры сортирования и классифицирования брёвен.

Практическая значимость работы

Разработана компьютерная программа для расчёта поставов при выработке обрезных пиломатериалов заданных размеров, а также границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования.

Предложен комбинированный алгоритм сортирования и классифицирования брёвен разных длин с целью повышения коэффициента выхода пиломатериалов.

Обоснованы рекомендации по дробности сортирования и классифицирования брёвен для гибких технологий лесопиления.

Даны рекомендации по применению различных гибких технологий группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров и выбору лесопильного оборудования.

На защиту выносятся:

- методика и математическая модель расчёта поставов для группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров, обеспечивающая поиск оптимальных диаметров брёвен и определения границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования;

- математический анализ экстремальных свойств функции коэффициента выхода пиломатериалов от диаметра брёвен;

- теоретические исследования по разработке алгоритмов сортирования и классифицирования брёвен разных длин;

- результаты моделирования процессов раскроя, сортирования и классифицирования брёвен;

- рекомендации по применению различных гибких технологий группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров и выбору лесопильного оборудования.

Реализация результатов работы

Внедрено в производстве программное обеспечение по расчету поставов и определения границ диаметров брёвен при их сортировании.

Полученные в работе рекомендации могут быть применены при проектировании оборудования и создании лесопильных предприятий, использующих гибкие технологии раскроя пиловочного сырья.

Материалы работы реализованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 250403, а также использованы при выполнении научно-исследовательской работы по госбюджетной тематике МГУЛ.

Апробация работы

Основные положения диссертации были доложены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГУЛ в 2004-2008 гг.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 70 наименований, приложений. Диссертация изложена на 188 страницах, включая 42 рисунка и 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, необходимость исследований возможностей гибких технологий группового раскроя пиловочного сырья для повышения эффективности лесопильного производства.

1. Состояние вопроса

В формирование теории раскроя бревен на пиломатериалы решающий вклад был внесён Х.Л. Фельдманом, Д.Ф. Шапиро, Г.Г. Титковьщ, М.Н. Гутерманом, В.А. Залгаллером, H.A. Батиным, А.Н. Песоцким, П.П. Аксеновым, P.E. Калитеевским, В.Ф. Ветшевой С.Н. Рыкуниным, B.C. Шалаевым, В.Г. Турушевым, A.M. Копейкиным, А.Е Алексеевым и другими учеными.

Первые компьютерные программы расчёта поставов были разработаны под руководством к.т.н. Соболева И.В. в КарНИИЛПе. В дальнейшем под руководством проф. Калитеевского P.E. и проф. Алексеева А.Е. были разработаны более совершенные программы расчёта поставов. При моделировании на базе этих программ удалось получить ряд эффективных рекомендаций.

Для нужд практики лесопиления компанией «Дрейф-2000» разрабатываются различные версии программы «Раскрой-рама», в которой производятся расчёты поставов по заданным чётным диаметрам брёвен.

Имея в виду, что для различных конкретных исследований процессов раскроя брёвен всегда возникает необходимость новых подходов, в данной работе разрабатывались новая методика, модель и компьютерная программа расчёта поставов для решения поставленных задач в условиях традиционных и гибких технологий лесопиления.

В настоящее время в лесопилении успешно используются гибкие технологии, предусматривающие автоматическую настройку поставов для раскроя сырья при изменении размеров поступающих в распиловку бревен.

Известно несколько принципов создания гибких технологий для группового раскроя пиловочного сырья.

Первый принцип используется несколько десятилетий на основе, главным образом, ленточнопильных агрегатов и поточных линий. В них предусматривается регулируемая настройка позиций пил (или пар пил) для изменения схем раскроя бревен путем поперечного перемещения ленточнопильных блоков при помощи автоматических позиционеров (рис. 1, а). Линии для группового раскроя пиловочного сырья, состоящие из сдвоенных ленточнопильных агрегатов, использовали в нашей стране и за рубежом. В настоящее врет разработаны также круглопильные станки с регулируемой настройкой пил.

Согласно второму принципу в лесопильных рамах нового поколения в пильной рамке перемещаются группы боковых пил (рис. 1, б).

Третий принцип реализации гибких технологий лесопиления для группового раскроя пиловочного сырья заключается в использовании смежных поставов. При этом бревно (или брус) может поперечно перемещаться механизмом базирования и подаваться, например, в пильную рамку, в которой предусмотрено два или более поставов пил. В смежном поставе часть крайних пил одного постава используется как крайние пилы соседнего постава (рис. 1, в).

Принцип совмещённого постава предусматривает фиксированную настройку пил для раскроя сырья в широких диапазонах диаметров брёвен. Совмещенные поставы предназначены для распиловки брусьев, поэтому в составе лесопильного потока должно компоноваться оборудование для их формирования.

Идея функционирования совмещенных поставов заключается в том, что бревно предварительно обрабатывается на брусующем станке (или узле) и далее брус центрируется по оси совмещенного постава, как это показано на схеме рис. 1, г. При небольших размерах бревна и, следовательно, бруса в процессе пиления будет задействована лишь часть внутренних пил постава. Каждая крайняя доска формируется одной пилой,

ее внешняя пласть оказывается в просвете между пилами совмещенного постаза. С ростом размера бруса включается в работу следующая пара пил совмещенного постава и так далее.

Совмещенный постав может быть усовершенствован путём поперечного перемещения всего постава пил или предмета обработки. При увеличении диаметра бревна раскрой будет выполняться попеременно по чётному и нечетному поставам, как это показано на рис. 1, д.

Рис. 1. Принципы гибких технологий раскроя брёвен

Идеи гибких технологий, основанных на смежных и совмещенных поставах, предложены на кафедре технологии лесопиления и деревообработки МГУЛ.

2. Методика исследования влияния параметров процессов сортирования, классифицирования и раскроя брёвен на объёмный выход пилопродукции

С целью исследования влияния параметров процессов сортирования, классифицирования и раскроя брёвен на объёмный выход пилопродукции создана новая методика и математическая модель расчёта поставов для группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров, обеспечивающая поиск оптимальных диаметров брёвен.

В отличие от традиционной методики расчёта поставов, где задаётся диаметр распиливаемых брёвен, в разработанной методике определяется минимальный диаметр брёвен, в который вписывается постав. В качестве исходной информации задаётся набор толщин досок в соответствии со спецификацией пиломатериалов с учётом рекомендаций теории максимальных поставов, а также рекомендаций по улучшению качественного состава пиломатериалов.

Эта методика решает обратную задачу по отношению к традиционной, что весьма удобно для назначения границ диапазонов диаметров брёвен при их сортировании, классифицировании и раскрое заданным поставом.

Согласно разработанной математической модели сначала рассчитываются верхние диаметры бревна й по условиям выполнения следующих ограничений:

1) по минимальной ширине крайней доски

¿1 >^М2+Ъ(ЬтЫ + уь)2-зЬ, (1)

где М - ширина постава; Ьт,п - минимальная ширина крайней обрезной доски; у ¡у - припуск на усушку по ширине доски; я - средний сбег бревна; Ь - длина бревна;

2) по минимальной длине крайней доски

йг > 1,5в\тЫ + ^М2 -\.5s\jL-1,51т1п) ; (2)

где 1т1П - минимальная длина крайней обрезной доски;

3) по вписыванию досок полной длины, равных длине бревна, в пифагорическую зону (при распиловке вразвал)

¿3> + 0,5зЬ; (3)

где Мцеитр - ширина постава для досок полной длины;

4) по вписыванию досок полной длины в пласть бруса (при распиловке с брусовкой)

<*3*№е»»Р +(Н + УН)2, (4)

где Н - толщина бруса, выпиленного на оборудовании первого ряда; УН ~ припуск на усушку по толщине бруса.

Минимальный диаметр бревна для заданного постава определяется из соотношения

¿тт = тах^; . (5)

Формулы (1)-(3) выведены на основе теории раскроя пиловочного сырья, исходя из геометрической модели бревна как усеченного параболоида вращения второго порядка.

Далее выполняется расчет ширины и длины обрезных досок с корректировкой длины по стандартной ширине. Округление размеров до стандартных значений производится по алгоритму, исключающему появление недопустимого обзола досок.

При расчете объёмов брёвен, коэффициентов объемного выхода пиломатериалов использована аппроксимация таблиц объёмов по ГОСТ 2708-75, а также другие методы. Коэффициенты выхода пиломатериалов

вычисляются в широком диапазоне диаметров брёвен, что даёт возможность выявить оптимальный диаметр. В окрестностях оптимального диаметра назначаются диапазоны диаметров брёвен для их сортирования, классифицирования и раскроя заданным поставом.

Разработан алгоритм и компьютерная программа решения модели. С целью подтверждения адекватности модели в производственных условиях был поставлен эксперимент по определению фактических объёмов выпиленных досок. По результатам эксперимента случайная ошибка объёмов пиломатериалов 5 находится в доверительных интервалах от (-5,4)% до (+2,4)% с доверительной вероятностью 0,95. Тогда средняя ошибка суммарных объёмов досок относительно рассчитанных по модели находится в доверительных границах от (-2)% до (-1)% с доверительной вероятностью 0,95.

3. Теоретические вопросы раскроя, сортирования и классифицирования брёвен

Аналитически доказано для некоторых поставов, что функция К = /(й), отражающая зависимость коэффициента объёмного выхода К обрезных пиломатериалов от диаметра брёвен ¿1 имеет экстремум в диапазоне диаметров брёвен, используемом при распиловке.

Функция коэффициента выхода пиломатериалов при развальном способе раскроя будет иметь вид:

ШчЧ* ~М1 ^ м2 И-1—-

с 0,87£ + 0,01£2 ^ + 0,0001/,2;2 + 0,00002Х3 Эта функция не дифференцируема из-за ограничения по длине боковых досок. Пусть при раскрое бревна вразвал выпиливаются две центральные доски полной длины 6м и толщиной 60 мм. Тогда в частном случае функция коэффициента выхода становится дифференцируемой и примет вид

0,72^2-0,01625 к =-*-5-. (6)

5,58^+ 0,0036/+0,00436 в ¿к

Взяв первую производную — и приравняв ее нулю, получим

(У

кубическое уравнение, решением которого является оптимальный диаметр бревна. В области положительных диаметров решением уравнения является значение ¿ = 0Д96лг, игах А: = 0,4726.

На рис. 2, а представлены примеры графиков изменения коэффициента выхода пиломатериалов, объёма обрезных пиломатериалов и объёма брёвен в зависимости от верхнего диаметра бревна d.

На рис. 2, б приведены примеры графиков функций изменения суммарного объёма досок Vnull = f(d), объёма брёвен Vgp = f(d), графика

функции изменения коэффициента выхода к = f(d) для брусового

постава. Максимум коэффициента выхода max к = 0,631 достигается при #

диаметре брёвен d =358мм. Ломаная линия на рисунках соответствует стандартному изменению размеров обрезных досок 25 мм по ширине и 25 см по длине.

160 180 200 220 240 260 280 Диаметр бревна, мм

о)

га Й ---Объём бревна

3 ------ Объём п/м ^ ■ ^

5 ш!яа Коэф. выхода ^. • ~'

Ш ri _____

t о

0.65

0.60

0.55- dum К ЧГч. d'

0.6

0.5

0.4

0.3 "г s"

320 340 360 380 400 420 440 § Диаметр бревна, мм

б)

Рис. 2. Графики функций объёма брёвен, объёма обрезных пиломатериалов и коэффициента их выхода от диаметра брёвен для развального (а) и брусового (б) поставов

В диссертации получен ряд выражений для параметров обзола обрезных досок. Например, соотношения, связывающие величины обзола по толщине доски А/, по ширине ДЪ и по длине Д/ имеют вид:

А/ = - (Ъ0 + уъ - 2ДЪ)2 -^2-(Ь0+уь)2у (7)

Ы = -Т^2{Ь0 + УЬ-М). (9)

Б —d

На их основе показано, что алгоритм округления ширины и длины досок а также диаметров брёвен, предложенный в модели, в основном исключает образование обзола обрезных досок свыше нормированного.

В теоретической части диссертации проанализированы следующие алгоритмы сортирования и классифицирования пиловочного сырья по размерам брёвен: I) по вершинным (верхним) диаметрам и длинам брёвен; 11) по вершинным диаметрам брёвен; III) по вершинным диаметрам брёвен с учётом их длин; IV) по комлевым (нижним) диаметрам брёвен; V) по комлевым и вершинным диаметрам брёвен (комбинированный); VI) по диаметрам посередине бревна.

В результате анализа установлено, что при сортировании и классифицировании брёвен разных длин наиболее эффективным является комбинированный алгоритм V.

На рис. 3 показано изменение вершинного диаметра брёвен от их длины. Прямые 12 и 56 соответствуют алгоритму сортирования и классифицирования брёвен по вершинным диаметрам для верхней и нижней границ диапазона, которые должны назначаться для брёвен минимальной длины. Линии 43 и 87 на рис. 3, а определяют верхнюю и нижнюю границы диапазона диаметров брёвен по вписыванию досок в пласть бруса согласно ограничению (4). Линии 14 и 58 отражают ограничения (1) и (2) по минимальным размерам крайних досок. Для этих границ комлевые диаметры брёвен не зависят от их длины и являются постоянными. На рис. 3,6 линии «а» и «б»определяют верхнюю и нижнюю границы диапазона диаметров брёвен по вписыванию досок в пифагорическую зону бревен

4

Ч : А,

Ахж) ¿о

1

■ Л "

5

■■■■л

0(И-1) ¿0! ¿птах

а) б)

Рис. 3. Графическая интерпретация алгоритмов сортирования и классифицирования пиловочного сырья по размерам брёвен при раскрое с брусовкой (а) и вразвал (б)

при раскрое вразвал согласно ограничению (3). Они с целью унификации комбинированного алгоритма заменяются линиями 43 и 87, которые рассчитываются для максимальной длины брёвен.

В результате при комбинированном алгоритме область А с указанным множеством размеров брёвен переходит в зону меньших вершинных диаметров, где для того же постава коэффициент выхода пиломатериалов выше. Область В переходит в зону вершинных диаметров, где для последующего постава коэффициент выхода пиломатериалов также выше.

Приращение коэффициента выхода пиломатериалов при использовании алгоритма V по отношению к алгоритму II определяется по формуле

АК =

2

~Lmjn) s¡ (Lmax_LQi)(Lqi - Lmin)si

2(d}+l -d\ JAL (d¡+i -d¡ JAL

(10)

2

(Lofi+y-Lmin) Sj+l v , (Lmax-L0(i+l))(L0(i+l)~Lmin)si+l „

' ' "r , > ------í Я2

2(d}+i -di JAL (d\+1 -d\ JAL

где K¡Aí... K¡S2 - усредненные коэффициенты выхода пиломатериалов в

областях Al.. .В2; d\, d¡+ j - минимальные диаметры бревна для г'-го и (г'+1)-го поставов соответственно.

4. Анализ результатов моделирования процессов раскроя, сортирования и классифицирования брёвен для производства пиломатериалов заданных размеров

Модель расчета поставов для раскроя брёвен на пиломатериалы заданных размеров позволяет определять средние коэффициенты выхода пиломатериалов при раскрое брёвен в заданном диапазоне их диаметров и длин.

На рис. 4 по данным моделирования построены графики зависимостей коэффициента выхода пиломатериалов от диаметра брёвен d для различных длин брёвен L при их раскрое вразвал поставом 16-40-40-40-16. Из рис.4,а видно, что при раскрое сырья вразвал графики зависимостей коэффициента выхода пиломатериалов от диаметра брёвен носят пикообразный характер. Это объясняется тем, что происходит резкий рост коэффициента выхода при переходе в основном толстых досок от одной ширины к другой. Коэффициент выхода снижается, когда размеры и объём пиломатериалов не изменяются, а объём бревна растёт. Это происходит до следующего «скачка» и так далее.

На рис. 4, б построены графики зависимостей коэффициента выхода пиломатериалов от диаметров брёвен d для различных длин брёвен при их

16-125-16

раскрое с брусовкой поставом-. Из рис. 4, б видно, что

16-40-40-40-16

графики зависимостей коэффициента выхода от диаметров брёвен носят

более плавный характер, «скачки» коэффициента выхода пиломатериалов

сглажены. Это объясняется тем, что при увеличении диаметров брёвен объём толстых досок, выпиливаемых из бруса, не изменяется. Изменяются лишь размеры тонких боковых досок, выпиливаемых из бревна и бруса. Но их суммарные объёмы невелики по отношению к объёму бревна.

а) б)

Рис 4. Графики зависимостей коэффициента выхода пиломатериалов от

диаметра брёвен

Поэтому «скачки» коэффициента выхода пиломатериалов при увеличении диаметров брёвен мало выражены, особенно это заметно для брёвен большей длины. Для рассчитанных брусовых поставов экстремум коэффициента выхода пиломатериалов достигался при минимальном диаметре брёвен, что для них наиболее характерно.

Моделированием установлено, что при раскрое среднемерных брёвен вразвал коэффициент выхода пиломатериалов падает с увеличением диапазона диаметров от 1 до 7 см примерно на 2%, тогда как при раскрое крупномерных брёвен вразвал он имеет тенденцию сохраняться практически постоянным. При раскрое среднемерных брёвен с брусовкой коэффициент выхода снижается в большей мере при переходе от половины чётного диаметра брёвен к трём четным диаметрам (до 7%). для крупномерных брёвен это снижение меньше (до 2,5%). Выявлено, что при распиловке вразвал несколько снижается минимальный диаметр брёвен, что способствует увеличению коэффициента выхода пиломатериалов. Обоснована рекомендация о возможности расширения диапазона диаметров при раскрое крупномерных брёвен при небольших значениях среднего сбега.

Анализ данных расчётов позволил установить, что на 1 мм сокращения ширины постава коэффициент выхода пиломатериалов увеличивается на 0,2%. за счёт снижения ширины пропилов и распиловочных припусков при раскрое среднемерного сырья вразвал При раскрое крупномерного сырья с брусовкой на 1 мм суммарного сокращения ширины поставов на первом и втором проходах коэффициент

выхода пиломатериалов увеличивается на 0,08%. Рост коэффициента выхода происходит в основном за счёт снижения минимальных диаметров брёвен при уменьшении ширины поставов. Показано, что сокращение ширины поставов за счёт уменьшения распиловочных припусков, толщины пил и уширения их зубьев позволит увеличить коэффициент выхода пиломатериалов в среднем на 1,5-2%.

Установлено, что в условиях гибких технологий среднемерное сырьё, раскраиваемое вразвал, достаточно отсортировать в одну группу и классифицировать на 3-4 группы, то есть дробность классифицирования установить через 1,5-2 чётных диаметра брёвен. Переход к дробности по каждому чётному диаметру поднимет общий средневзвешенный коэффициент выхода незначительно, всего лишь на величину около 0,3%.

Крупномерное сырьё при его раскрое с брусовкой в условиях гибких технологий на лесопильных рамах с регулируемой настройкой групп боковых пил необходимо сортировать на две градации с классифицированием в каждой сортировочной группе на 2-4 градации. При раскрое крупномерного сырья брусовым способом можно рекомендовать дробность классифицирования брёвен через 2-2,5 чётных диаметра в диапазоне диаметров 25-35 см, а для больших диаметров брёвен (свыше 40см), учитывая их малую долю, через 6-10см.

Общее число групп классифицирования при раскрое всего пиловочного сырья составит от семи до десяти, если их увеличение не диктуется выполнением требований спецификации пиломатериалов. Число градаций сортирования пиловочного сырья зависит от конструкций применяемого оборудования, обеспечивающего раскрой по гибким технологиям.

5. Определение параметров и обоснование выбора гибких технологий для лесопильных предприятий

Исследование параметров гибких технологий лесопиления производилось расчётным путём на основе разработанной математической модели. Среди вариантов гибких технологий для группового раскроя брёвен рассмотрены следующие: на основе регулируемых поставов с поперечным перемещением пил при раскрое со стопроцентной брусовкой сырья; на основе регулируемых поставов с распиловкой среднемерного сырья вразвал, а крупномерного сырья с брусовкой; на основе совмещённых поставов с поперечным перемещением пил с распиловкой среднемерного сырья вразвал, а крупномерного сырья с брусовкой; на сдвоенном ленточнопильном агрегате с распиловкой среднемерного сырья вразвал, а крупномерного сырья с брусовкой.

Конечной целью выполненных исследований явилось обоснование рекомендаций по использованию гибких технологий лесопиления для

производства различных пиломатериалов с учётом распределения брёвен по диаметрам для центральных регионов Европейской части РФ.

Рекомендуется для современных предприятий средней мощности в центральных регионах России комбинация двух гибких технологий лесопиления, обеспечивающих: для среднемерного сырья раскрой вразвал на двухвальном круглопильном станке на основе регулируемых поставов; для крупномерного сырья - раскрой с брусовкой на сдвоенном ленточнопильном агрегате или на лесопильных рамах нового поколения с регулируемой настройкой пил.

При специализации предприятия на производство толстых досок определённой толщины (например, для изготовления ламелей клеёного бруса) может быть рекомендована гибкая технология раскроя сырья на основе совмещённых поставов с поперечным перемещением постава пил. Для среднемерного сырья предпочтителен раскрой вразвал на двухвальном круглопильном станке; для крупномерного сырья - раскрой с брусовкой на лесопильных рамах нового поколения регулируемым поставом на первом проходе и непосредственно совмещённым поставом на втором проходе.

Показано, что при распиловке брёвен разных длин в диапазоне диаметров 14-60 см общий средневзвешенный коэффициент выхода пиломатериалов снижается примерно на 3% при использовании традиционного алгоритма сортирования и классифицирования брёвен по вершинным диаметрам. Результаты расчётов позволяют сделать вывод о возможности повышения коэффициента выхода пиломатериалов примерно на 2% в условиях сортирования и классифицирования брёвен разных длин (в диапазоне длин 4-7м) и на 1,5% (в диапазоне длин 5-6м) по комбинированному алгоритму.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основе изучения состояния вопроса и, учитывая прогресс по развитию технологий лесопиления, обоснована актуальность диссертационной работы по сокращению градаций сортирования пиловочного сырья с целью уменьшения затрат и производственных площадей лесопильного предприятия, а также по повышению эффективности группового раскроя брёвен в условиях использования гибких технологий.

2. Разработана методика и математическая модель расчёта поставов для раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров и определения границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования с поиском оптимальных диаметров брёвен по критерию максимального объёмного выхода пиломатериалов. Составлены алгоритм и компьютерная программа для расчетов.

3. Выполнена апробация модели раскроя сырья в производственных условиях с целью подтверждения её адекватности. Экспериментом

установлено, что средняя арифметическая ошибка измеренных суммарных объёмов обрезных досок относительно рассчитанных по модели будет находиться в доверительных границах от (-2)% до (-1)% с доверительной вероятностью 0,95.

4. На основе методов математического анализа, а также численным моделированием, доказано, что функция коэффициента выхода обрезных пиломатериалов от диаметра брёвен часто имеет максимум при диаметре, который не совпадает с минимальной границей используемого при распиловке диапазона диаметров брёвен.

С целью повышения эффективности раскроя рекомендуется назначать диапазоны диаметров брёвен в окрестностях максимума коэффициента выхода пиломатериалов. При этом рационально могут быть раскроены брёвна в диапазоне двух-трёх чётных диаметров.

5. Теоретически установлено, что при раскрое брёвен разных длин более эффективными по отношению к традиционному алгоритму сортирования по вершинным диаметрам брёвен являются предложенные алгоритмы их сортирования и классифицирования по комлевым диаметрам, а также комбинированный алгоритм. В результате анализа рассмотренных алгоритмов в практике лесопиления рекомендуется использовать комбинированный алгоритм как универсальный.

6. Показано на основе расчётов, что при распиловке брёвен разных длин в условиях применения традиционного алгоритма сортирования и классифицирования брёвен по вершинным диаметрам общий средневзвешенный коэффициент выхода пиломатериалов снижается на 3% и более. Установлена возможность повышения средневзвешенного коэффициента выхода пиломатериалов примерно на 1,5-2% при переходе к разработанному комбинированному алгоритму сортирования и классифицирования брёвен.

7. Путём моделирования показано, что при раскрое среднемерных брёвен вразвал коэффициент выхода пиломатериалов падает с увеличением диапазона диаметров брёвен от 1 до 7 см примерно на 2%, тогда как при раскрое крупномерных брёвен вразвал он имеет тенденцию сохраняться практически постоянным. При раскрое среднемерных брёвен с брусовкой коэффициент выхода снижается в большей мере при переходе от половины чётного диаметра брёвен к трём четным диаметрам (до 7%). Для крупномерных брёвен это снижение меньше (до 2,5%).

8. На основе новой методики расчёта поставов установлено, что при сокращении ширины поставов за счёт снижения ширины пропилов и распиловочных припусков происходит рост коэффициента выхода в основном из-за уменьшения минимальных диаметров брёвен. Анализ данных расчётов позволяет утверждать, что на 1 мм сокращения ширины постава при раскрое среднемерного сырья вразвал коэффициент выхода

пиломатериалов имеет тенденцию увеличения на 0,2%, а при раскрое крупномерного сырья с брусовкой - на 0,08%.

9. В результате анализа результатов моделирования установлено, что в условиях гибких технологий среднемерное сырьё, раскраиваемое вразвал, достаточно отсортировать в одну группу и классифицировать на 3-4 градации. Крупномерное сырьё при его раскрое на сдвоенных ленточнопильных агрегатах достаточно сортировать в одну группу, а при раскрое на. лесопильных рамах с регулируемой настройкой групп боковых пил его необходимо сортировать на две группы с классифицированием в каждой сортировочной группе на 2-4 градации.

10. Общее число градаций классифицирования при раскрое всего пиловочного сырья может быть рекомендовано в пределах от семи до десяти, если их увеличение не диктуется выполнением требований спецификации пиломатериалов. Количество групп сортирования пиловочного сырья не должно превышать трёх, оно зависит от конструкций применяемого оборудования, обеспечивающего раскрой по гибким технологиям.

11. Рекомендуется для современных предприятий средней мощности в центральных регионах России комбинация двух гибких технологий лесопиления, обеспечивающих: для среднемерного сырья групповой раскрой вразвал на двухвальном круглопшшюм станке на основе регулируемых поставов; для крупномерного сырья - раскрой с брусовкой на сдвоенном ленточнопильном агрегате или на лесопильных рамах нового поколения с регулируемой настройкой пил.

12. При специализации предприятия на производство толстых досок определённой толщины может быть рекомендована высокопроизводительная гибкая технология группового раскроя сырья на основе совмещённых поставов с поперечным перемещением постава пил.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Щако О.И. Модель и программа расчета поставов для раскроя бревен на обрезные пиломатериалы заданных размеров. - Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 326. - М.: МГУЛ, 2005. - С. 37-40.

2. Фергин В.Р., Шако О.И. Гибкие технологии лесопиления //Научные труды МГУЛ (электронная версия), 2002. - №1.

3. Шако О.И. Гибкие технологии для раскроя среднемерного пиловочного сырья. - Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 326. - М.: МГУЛ, 2005. - С. 41-44.

4. Шако О.И. Прогнозирование объёмного выхода пиломатериалов. - Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 331,- М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. - С. 88-91.

5. Шако О.И. Исследование функции коэффициента выхода обрезных пиломатериалов. - Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 335. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. - С. 88-91.

6. Шако О.И. Анализ алгоритмов сортирования и классифицирования пиловочного сырья // Лесной вестник - 2007. - №4. -М.: ГОУ ВПО МГУЛ. - С. 142-147.

7. Фергин В.Р., Шако О.И. Сортирование пиловочного сырья по размерам брёвен. - Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 331. -М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. - С. 82-88.

8. Шако О.И., Ерхова О.И. О снижении параметров обзола обрезных досок. - Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 342. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. - С. 36-41.

9. Фергин В.Р., Пятков В.Е., Шако О.И. Раскрой брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. - 44 с.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 141005, г. Мытищи Московской области, ул. 1-я Институтская, 1, МГУЛ, диссертационный совет Д.212.146.03, Ученому секретарю.

Отпечатано в полном соответствии с качеством

представленного оригинал-макета Подписано в печать 12.02 2009. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/м2 Ризография. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 57.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@mgul.ac.ru

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы.

Цель и задачи исследований.

Методы исследований.

Научная новизна работы.

Практическая значимость работы.

Аспекты работы, выносимые на защиту.

Реализация результатов работы.

Апробация работы.

Публикации.

Личный вклад диссертанта в решение поставленных задач.

Структура и объём работы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1.1. Обзор литературы по раскрою бревен на обрезные пиломатериалы.

1.2. Традиционные и гибкие технологии раскроя пиловочного сырья.

1.3. Взаимосвязь процессов сортирования, классифицирования, раскроя брёвен и сортирования пиломатериалов.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ СОРТИРОВАНИЯ, КЛАССИФИЦИРОВАНИЯ И РАСКРОЯ БРЁВЕН НА ОБЪЁМНЫЙ ВЫХОД ПИЛОПРОДУКЦИИ.

2.1. Классификация факторов, влияющих на выход пилопродукции.

2.2. Методика и математическая модель расчёта поставов для раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров.

2.3. Разработка алгоритма расчета поставов для производства пиломатериалов заданных размеров и выбора диапазонов диаметров бревен при их сортировании и классифицировании.

2.4. Прогнозирование объемного выхода обрезных пиломатериалов.

2.5. Методика моделирования раскроя пиловочного сырья для решения задач исследования.

2.6. Экспериментальная апробация модели раскроя в производственных условиях.

2.7. Выводы по главе.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ РАСКРОЯ, СОРТИРОВАНИЯ И КЛАССИФИЦИРОВАНИЯ БРЁВЕН.

3.1. Исследование функции коэффициента выхода обрезных пиломатериалов от диаметра брёвен.

3.2. Обоснование условий исключения недопустимого обзола обрезных досок по расчётным методикам.

3.3. Анализ алгоритмов сортирования и классифицирования пиловочного сырья.

3.4. Выводы по главе.

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАСКРОЯ, СОРТИРОВАНИЯ И КЛАССИФИЦИРОВАНИЯ

БРЁВЕН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

ЗАДАННЫХ РАЗМЕРОВ.

4.1. Цели и условия моделирования раскроя брёвен на пиломатериалы заданных размеров.

4.2. Зависимость коэффициента выхода пиломатериалов от диаметров и длин брёвен.

4.3. Влияние среднего сбега брёвен на коэффициент выхода пиломатериалов.

4.4. Влияние ширины поставов на эффективность раскроя брёвен.

4.5. Обоснование дробности классифицирования и сортирования пиловочного сырья.

4.6. Выводы по главе.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ГИБКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ЛЕСОПИЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ.

5.1. Исследование параметров гибких технологий лесопиления.

5.1.1. Расчёты поставов и параметров сортирования и классифицирования брёвен для гибких технологий раскроя на основе регулируемых поставов с поперечным перемещением пил.

5.1.2. Расчёты поставов и параметров сортирования и классифицирования брёвен для гибких технологий раскроя на основе совмещённых поставов с поперечным перемещением пил.

5.1.3. Расчёты поставов и параметров классифицирования брёвен для гибких технологий раскроя на основе сдвоенного ленточнопильного агрегата.

5.2. Возможные области использования гибких технологий лесопиления для производства различных пиломатериалов.

5.3. Повышение эффективности раскроя брёвен разных длин.

5.4. Экономическая эффективность гибких технологий лесопиления

5.5. Выводы по главе.

Актуальность темы

Развитие лесопильного производства для технологических процессов раскроя брёвен на пиломатериалы должно решать следующие задачи:

- увеличение производительности процессов распиловки брёвен;

- повышение выхода пиломатериалов из сырья;

- улучшение качества пиломатериалов;

- снижение себестоимости пилопродукции.

На снижение себестоимости пилопродукции, кроме трёх предыдущих аспектов, в основном связанных с технологическими процессами раскроя брёвен, значительное влияние оказывают процессы их сортирования, образующие с процессами раскроя взаимосвязанную производственную систему.

Традиционные технологии лесопиления предусматривают распиловку бревен в пределах одного четного диаметра. Это условие требует большого количества сортировочных мест для сортирования бревен (до 24-х) и, следовательно, больших производственных площадей. Возрастают капитальные вложения и эксплуатационные затраты, увеличивается себестоимость продукции.

В настоящее время в связи с совершенствованием налогового законодательства повышается налогообложение территорий, занятых под производственные нужды. Неуклонно растут цены на земельные участки, особенно в границах городов и населённых пунктов. Это заставляет искать пути сокращения производственных площадей лесопильных предприятий, в первую очередь, для складских и сортировочных работ.

В последние годы в лесопилении получают развитие гибкие технологии для группового раскроя пиловочного сырья. При гибкой технологии раскроя создается возможность раскраивать брёвна в широком диапазоне диаметров благодаря применению автоматически настраиваемых поставов на лесопильном оборудовании с поперечным перемещением пил (или предмета обработки). Это позволяет либо полностью исключить процесс сортирования бревен, либо значительно сократить его до 2-4 групп. Такое достоинство гибких технологий позволяет прогнозировать их перспективность для лесопильных предприятий будущего.

Актуальность диссертационной работы вытекает из необходимости повышения эффективности функционирования системы «сортирование-раскрой брёвен» для гибких технологий лесопиления при рациональном сокращении групп сортирования брёвен.

Цель и задачи исследований

Постановка целей и задач диссертационной работы диктуется необходимостью повышения эффективности функционирования производственной системы «сортирование-раскрой брёвен». При этом наряду с сокращением сортировочных групп брёвен не должен существенно уменьшаться объёмный выход пиломатериалов.

Основной целью диссертационной работы является исследование и разработка рекомендаций по совершенствованию процессов сортирования, классифицирования и раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров в условиях использования гибких технологий для группового раскроя пиловочного сырья.

В диссертации согласно поставленной цели решались следующие задачи:

- создание новой комплексной методики, математической модели и компьютерной программы расчёта поставов для группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров и определения границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования;

- теоретическое доказательство экстремальных свойств функции коэффициента выхода пиломатериалов от диаметра брёвен;

- разработка алгоритмов сортирования и классифицирования брёвен разных длин с целью повышения коэффициента выхода пиломатериалов;

- анализ влияния различных факторов на выход пиломатериалов и параметры сортирования и классифицирования брёвен на основе математического моделирования;

- расчёты поставов и параметров сортирования и классифицирования брёвен для различных гибких технологий лесопиления и разработка рекомендаций по их использованию.

Переход к гибким технологиям группового раскроя пиловочного сырья ставит целый ряд задач научных исследований, указанных выше. Важнейшей из них является разработка новых комплексных методик, позволяющих рассчитывать поставы для выработки обрезных пиломатериалов заданных размеров совместно с определением границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования. Операция классифицирования брёвен, выполняемая непосредственно перед лесопильным оборудованием, предусматривается для гибких технологий раскроя с целью определения размерных характеристик бревна и выбора для него соответствующего настраиваемого постава.

Традиционная методика расчёта поставов позволяет определять оптимальные размеры досок, вписываемых в заданный диаметр брёвен. Из-за дисг bs кретности размеров сечений досок и их длин используются правила округления, в результате чего происходит отклонение размеров досок от оптимальных, обеспечивающих максимум коэффициента выхода пиломатериалов. Заданный диаметр брёвен принимается как средний, относительно него определяется диапазон диаметров для раскроя и сортирования брёвен путём уменьшения и увеличения среднего диаметра на один сантиметр или более.

В диссертации разработана новая методика расчёта поставов для получения обрезных пиломатериалов заданных размеров. Она отличается тем, что, исходя из спецификации пиломатериалов, сначала формируются возможные рациональные ряды толщин досок в поставах, затем для них определяются минимальные диаметры брёвен, окружности верхних торцев которых описывают заданный неполный постав. Далее для полного постава рассчитываются ширины и длины всех досок. Так как диаметр брёвна является непрерывной переменной, то можно определить его оптимальное значение, при котором обеспечивается максимальный коэффициент объёмного выхода пиломатериалов. В окрестностях оптимального диаметра выбирается диапазон диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования. Эта методика может применяться как для традиционных, так и для гибких технологий раскроя пиловочного сырья.

Эта методика решает обратную задачу по отношению к традиционной, что весьма удобно для назначения границ диапазонов диаметров брёвен при их сортировании, классифицировании и раскрое заданным поставом.

В диссертации исследованы некоторые теоретические вопросы, связанные с разработкой математических моделей расчёта поставов для раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров, а также с разработкой алгоритмов сортирования и классифицирования пиловочного сырья в условиях использования гибких технологий для группового раскроя пиловочных брёвен разных длин.

Выполнено математическое моделирование процессов раскроя брёвен, их сортирования и классифицирования, в результате получены актуальные научные выводы и практические рекомендации. Ранее влияние различных факторов на эффективность раскроя, прежде всего на коэффициент объёмного выхода пиломатериалов, исследовалось как результат их влияния на объём пиломатериалов при заданном диаметре брёвен. Новая методика позволяет выявить влияние различных факторов на эффективность раскроя в результате изменения минимального диаметра брёвна.

Расчёты поставов и параметров сортирования и классифицирования брёвен для различных гибких технологий лесопиления позволит определить области их рационального применения.

Методы исследований

При выполнении диссертационной работы использовались теория раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы, методы математического анализа и численного моделирования.

Для апробации математической модели и компьютерной программы расчёта поставов для группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров ставился эксперимент в производственных условиях, обработка результатов эксперимента проводилась методами математической статистики.

Компьютерная программа расчёта поставов для группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров составлена на языке Object Pascal.

Научная новизна работы

Нижеуказанные пункты характеризуют научную новизну диссертацион- ной работы.

1. Впервые разработана комплексная методика и математическая модель расчёта поставов для группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров, обеспечивающая поиск оптимальных диаметров брёвен и определения границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования.

2. Выполнен математический анализ экстремальных свойств функции коэффициента выхода пиломатериалов от диаметра брёвен; в окрестностях оптимального диаметра рекомендован выбор диапазона диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования.

3. Исследованы алгоритмы сортирования и классифицирования брёвен разных длин и теоретически обоснована эффективность комбинированного алгоритма.

4. На основе разработанной модели получены результаты моделирования процессов раскроя, сортирования и классифицирования брёвен с целью анализа влияния различных факторов на выход пиломатериалов и параметры сортирования и классифицирования брёвен за счёт изменения их минимальных диаметров.

Следует отметить, что математический анализ экстремальных свойств функции коэффициента выхода пиломатериалов от диаметра брёвен ранее не проводился. Также впервые исследованы алгоритмы сортирования и классифицирования брёвен разных длин и даны рекомендации по их использованию.

Полученные результаты моделирования процессов раскроя, сортировач/ ния и классифицирования брёвен с целью анализа влияния различных факторов на выход пиломатериалов и параметры сортирования и классифицирования брёвен в определённой степени уточняют предыдущие исследования.

Практическая значимость работы

Разработана компьютерная программа для расчёта поставов при выработке обрезных пиломатериалов заданных размеров, а также границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования.

Предложен комбинированный алгоритм сортирования и классифицирования брёвен разных длин с целью повышения коэффициента выхода пиломатериалов.

Обоснованы рекомендации по дробности сортирования и классифицирования брёвен для гибких технологий лесопиления.

Даны рекомендации по применению различных гибких технологий группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров и выбору лесопильного оборудования.

Аспекты работы, выносимые на защиту

На защиту выносятся: методика и математическая модель расчёта поставов для группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров, обеспечивающая поиск оптимальных диаметров брёвен и определения границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования;

- математический анализ экстремальных свойств функции коэффициента выхода пиломатериалов от диаметра брёвен;

- теоретические исследования по разработке алгоритмов сортирования и классифицирования брёвен разных длин;

- результаты моделирования процессов раскроя, сортирования и классифицирования брёвен;

- рекомендации по применению различных гибких технологий группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров и выбору лесопильного оборудования.

Реализация результатов работы

Внедрено в реальное лесопильное производство программное обеспечение по расчету поставов для группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров и определения границ диаметров брёвен при их сортировании (см. Акт о приёмке в эксплуатацию компьютерной программы «Расчёт поставов для раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров» в Приложении).

Полученные в работе рекомендации могут быть использованы при проектировании оборудования для гибких технологий раскроя и создании лесопильных предприятий, использующих гибкие технологии раскроя пиловочного сырья.

Материалы работы реализованы в учебном процессе кафедры технологии лесопиления и деревообработки для дипломного проектирования при подготовке инженеров-технологов по специальности 250403 (см. Акт об использовании материалов диссертационной работы Шако О. И. в учебном процессе, приведённый в Приложении). Они также использованы при выполнении научно-исследовательской работы по госбюджетной тематике МГУЛ.

Апробация работы

Основные положения диссертации были доложены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГУЛ в 2004-2008 гг.

Доклады были посвящены разработке модели и программы расчета поставов для раскроя бревен на обрезные пиломатериалы заданных размеров, исследованию функции коэффициента выхода обрезных пиломатериалов от диаметра брёвен, анализу алгоритмов сортирования и классифицирования пиловочного сырья разных длин, исследованию параметров обзола обрезных досок и другим вопросам, рассмотренным в диссертации.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ.

1. Шако О.И. Модель и программа расчета поставов для раскроя бревен на обрезные пиломатериалы заданных размеров. —Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 326. -М.: МГУЛ, 2005. -С. 37-40.

2. Фергин В.Р., Шако О.И. Гибкие технологии лесопиления //Научные труды МГУЛ (электронная версия), 2002. -№1.

3. Шако О.И. Гибкие технологии для раскроя среднемерного пиловочного сырья. —Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 326. -М.: МГУЛ, 2005. -С. 41-44.

4. Шако О.И. Прогнозирование объёмного выхода пиломатериалов. -Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 331. -М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. -С. 88-91.

5. Шако О.И. Исследование функции коэффициента выхода обрезных пиломатериалов. - Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 335. -М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. -С. 88-91.

6. Шако О.И. Анализ алгоритмов сортирования и клас-сифицирования пиловочного сырья // Лесной вестник - 2007. -№4. -М.: ГОУ ВПО МГУЛ. -С. 142-147.

7. Фергин В.Р., Шако О.И. Сортирование пиловочного сырья по размерам брёвен. -Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 331. -М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. -С. 82-88.

8. Шако О.И., Ерхова О.И. О снижении параметров обзола обрезных досок. -Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. -Вып. 342. -М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. - С. 36-41.

9. Фергин В.Р., Пятков В.Е., Шако О.И. Раскрой брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров. Учебное пособие для ВУЗов. -М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2009. -44 с.

Работа [48] опубликована в журнале, рекомендованном ВАКом для диссертационных работ.

Учебное пособие [19] позволит расширить рамки использования материалов диссертации в учебном процессе до курсового проектирования по дисциплине «Технология лесопиления».

Личный вклад диссертанта в решение поставленных задач

Лично мною выполнена следующая работа.

В первую очередь произведен патентный поиск и проработаны литературные источники с целью изучения состояния вопроса по теме диссертации.

Среди пяти принципов гибких технологий раскроя пиловочного сырья принцип совмещённого постава с поперечным перемещением всех пил или предмета обработки предложен мною.

Самостоятельно разрабатывались математическая модель, алгоритм и программное обеспечение по расчету поставов для группового раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров и определения границ диаметров брёвен при их сортировании.

С цель подтверждения адекватности разработанной модели в производственных условиях поставлен эксперимент, с моим участием получены опытные данные, составлены протоколы измерений, которые затем статистически обработаны.

Выполнен математический анализ экстремальных свойств функции коэффициента выхода пиломатериалов от диаметра брёвен.

Исходя из геометрической модели бревна как усечённого параболоида вращения второго порядка, выведены соотношения, связывающие параметры обзола пиломатериалов. На их основе предложен алгоритм округления размеров досок до стандартных значений, который исключает недопустимый обзол досок.

Исследованы алгоритмы сортирования и классифицирования брёвен разных длин и теоретически обоснована эффективность комбинированного алгоритма.

Самостоятельно проведено с помощью разработанной компьютерной программы моделирование процессов раскроя, сортирования и классифицирования брёвен.

На основе результатов моделирования получены соответствующие таблицы и графики, проведён анализ влияния различных факторов на выход пиломатериалов и параметры сортирования и классифицирования брёвен за счёт изменения их минимальных диаметров. Также обоснованы рекомендации по дробности сортирования и классифицирования брёвен для гибких технологий лесопиления.

Выполнены расчёты поставов и параметров сортирования и классифицирования брёвен для различных гибких технологий лесопиления и даны рекомендаций по их использованию.

По каждой главе и в целом по диссертации сделаны научные, методические и практические выводы, обобщающие результаты исследований.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 70 наименований, приложений. Диссертация изложена на 188 страницах, включая 42 рисунка и 26 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основе изучения состояния вопроса и, учитывая прогресс по развитию технологий лесопиления, обоснована актуальность диссертационной работы по сокращению групп сортирования пиловочного сырья с целью уменьшения затрат и производственных площадей лесопильного предприятия, а также по повышению эффективности группового раскроя брёвен в условиях использования гибких технологий.

2. Разработана методика и математическая модель расчёта поставов для раскроя брёвен на обрезные пиломатериалы заданных размеров и определения границ диапазонов диаметров брёвен для их сортирования и классифицирования с поиском оптимальных диаметров брёвен по критерию максимального объёмного выхода пиломатериалов. Составлены алгоритм и компьютерная программа для расчетов.

3. Выполнена апробация модели раскроя сырья в производственных условиях с целью подтверждения её адекватности. Экспериментом установлено, что средняя арифметическая ошибка измеренных суммарных объёмов обрезных досок относительно рассчитанных по модели будет находиться в доверительных границах от (-2)% до (-1)% с доверительной вероятностью 0,95.

4. На основе методов математического анализа, а также численным моделированием, доказано, что функция коэффициента выхода обрезных пиломатериалов часто имеет максимум при диаметре, который не совпадает с минимальной границей используемого при распиловке диапазона диаметров брёвен.

С целью повышения эффективности раскроя рекомендуется назначать диапазоны диаметров брёвен в окрестностях максимума коэффициента выхода пиломатериалов. При этом рационально могут быть раскроены брёвна в диапазоне двух-трёх чётных диаметров.

5. Теоретически установлено, что при раскрое брёвен разных длин более эффективными по отношению к традиционному алгоритму сортирования по вершинным диаметрам брёвен являются предложенные алгоритмы их сортирования и классифицирования по комлевым диаметрам, а также комбинированный алгоритм.

В результате анализа рассмотренных алгоритмов в практике лесопиления рекомендуется использовать комбинированный алгоритм как универсальный.

6. Показано на основе расчётов, что при распиловке брёвен разных длин в условиях применения традиционного алгоритма сортирования и классифицирования брёвен по вершинным диаметрам общий средневзвешенный коэффициент выхода пиломатериалов снижается на 3% и более. Установлена возможность повышения средневзвешенного коэффициента выхода пиломатериалов примерно на 1,5-2% при переходе к разработанному комбинированному алгоритму сортирования и классифицирования брёвен.

7. Путём моделирования показано, что при раскрое среднемерных брёвен вразвал коэффициент выхода пиломатериалов падает с увеличением диапазона диаметров от 1 до 7 см примерно на 2%, тогда как при раскрое крупномерных брёвен вразвал он имеет тенденцию сохраняться практически постоянным. При раскрое среднемерных брёвен с брусовкой коэффициент выхода снижается в большей мере при переходе от половины чётного диаметра брёвен к трём четным диаметрам (до 7%). Для крупномерных брёвен это снижение меньше (до 2,5%).

8. На основе новой методики расчёта поставов установлено, что при сокращении ширины поставов за счёт снижения ширины пропилов и распиловочных припусков происходит рост коэффициента выхода в основном из-за уменьшения минимальных диаметров брёвен. Анализ данных расчётов позволяет утверждать, что на 1 мм сокращения ширины постава при раскрое средне-мерного сырья вразвал коэффициент выхода пиломатериалов имеет тенденцию увеличения на 0,2%, а при раскрое крупномерного сырья с брусовкой на — 0,08%.

9. В результате анализа результатов моделирования установлено, что в условиях гибких технологий среднемерное сырьё, раскраиваемое вразвал, достаточно отсортировать в одну группу и классифицировать на 3-4 градации.

Крупномерное сырьё при его раскрое на сдвоенных ленточнопильных агрегатах достаточно сортировать в одну группу, а на лесопильных рамах с регулируемой настройкой групп боковых пил необходимо сортировать на две группы с классифицированием в каждой сортировочной группе на 2-4 градации.

10. Общее число градаций классифицирования при раскрое всего пиловочного сырья может быть рекомендовано в пределах от семи до десяти, если их увеличение не диктуется выполнением требований спецификации пиломатериалов. Число групп сортирования пиловочного сырья зависит от конструкций применяемого оборудования, обеспечивающего раскрой по гибким технологиям.

11. Рекомендуется для современных предприятий средней мощности в центральных регионах России комбинация двух гибких технологий лесопиления, обеспечивающих: для среднемерного сырья групповой раскрой вразвал на двухвальном круглопильном станке на основе регулируемых поставов; для крупномерного сырья — раскрой с брусовкой на сдвоенном ленточнопильном агрегате или на лесопильных рамах нового поколения с регулируемой настройкой пил.

12. При специализации предприятия на производство толстых досок определённой толщины может быть рекомендована высокопроизводительная гибкая технология группового раскроя сырья на основе совмещённых поставов с поперечным перемещением постава пил.

1. А. с. 1395483 СССР. МКИ-4 В 27 В/00. Способ изготовления пиломатериалов из бревен / С.Н. Рыкунин. Бюл. № 18, 1988. - 26 с.

2. Аврамчук Е.Ф., Вавилов А.А., Емельянов С.В. Технология системного моделирования / Под общей редакцией Емельянова С.В. М.: Машиностроение, Берлин: Техник, 1988 - 520 с.

3. Аксенов П.П., Макарова Н.С., Прохоров И.К., Тюкина Ю.П. Технология пиломатериалов. Учебник для вузов. Издание второе, переработанное и дополненное — М.: "Лесная промышленность", 1976. 480 с.

4. Алексеев А.Е., Бедердинова О.И. Проектирование процессов лесопиления. — Архангельск, 2007. — 108 с.

5. Алексеев А.Е., Алексеева JI.B. Организация малых лесопильных предприятий: монография. Архангельск: "Издательство АГТУ", 2007. - 732 с.

6. Алексеева J1.B. Проектирование малых лесопильных предприятий на базе ленточнопильных станков. ИВУЗ. Лесной журнал. - 2004. - № 4 - С. 81-84.

7. Амалицкий В.В., Амалицкий В.В. Оборудование отрасли. М.: Изд. МГУЛ, 2006. - 584 с.

8. Батин Н.А., Раскрой пиловочного сырья на пиломатериалы. -Минск.: Изд-во БТИ им. С.М. Кирова, 1972 36 с.

9. Блехерман М.Х. Гибкие производственные системы: (организационно-экономические аспекты). — М.: Экономика, 1988. 221 с.

10. Боровиков Е.М., Фефилов Л.А., Шестаков В.В. Лесопиление на агрегатном оборудовании. -М.: Лесная промышленность, 1985. 216 с.

11. Ветшева В.Ф. Раскрой крупномерных брёвен на пиломатериалы. -М.: "Лесная промышленность", 1976. — 168 с.

12. Виллистон Э. Автоматизированные системы управления в лесопилении. Перевод с англ. В. В. Амалицкого. М.: "Экология", 1991. - 304 с.

13. Виллистон Э. Производство пиломатериалов. Перевод с англ. В. В. Амалицкого. — М.: "Лесная промышленность", 1981. 384 с.

14. Вильке Г.А. Автоматизация производственных процессов лесопромышленных предприятий. М.: Лесная промышленность, 1972. - 416 с.

15. Гоберман В.А., Гоберман Л.А. Технологии научных исследований: методы, модели, оценки. Учебное пособие. 2-е издание, стереотипное. — М.: МГУЛ, 2002. 390 с.

16. Гутерман М.Н. Основные вопросы теории первичного раскроя древесины на лесозаводах. Труды ЦНИИМОД. М.: ГЛБИ, 1950.С. 52-80.

17. Залгалер В.А. Новое в составлении поставов на распиловку брёвен. -Л.: ГЛБИ, 1956-64 с.

18. Калитеевский Р.Е. Лесопиление в XXI веке. Технология, оборудование, менеджмент. СПб.: "ПРОФИ-ИНФОРМ", 2005 - 480 с.

19. Калитеевский Р.Е. Теория и организация лесопиления. М.: "Экология", 1995-352 с.

20. Каталог "Вся лесопильная техника из одних рук". - EWD. - 18 с.

21. Копейкин A.M. Перспективы развития технологий лесопиления. -М.: "Лесная промышленность", 1989. 104 с.

22. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: "Наука", 1970. - 720 с.

23. Курицын А.К. Справочник по пиломатериалам. М.: ООО "Лесэкс-перт", 2004.-108 с.

24. Курицын А.К. Точность процесса распиловки на лесопильных рамах: Обзор. М.: "ВНИПИЭИлеспром", 1979. - 36 с.

25. Куроптев П.Ф., Щеглов В.Ф., Панасевич Т.Г. Справочник мастера лесопильного производства. — М.: "Лесная промышленность", 1990. -206 с.

26. Леонов Л.В. Технологические измерения и приборы в лесной и деревообрабатывающей промышленности. -М.: "Лесная промышленность", 1990. -252 с.

27. Леса России. — М.: "Лесная промышленность", 2005. — 48 с.

28. Лесной кодекс Российской Федерации. М.: ИНФА-М, 2007. - 60 с.

29. Малыгин С.И., Шатилов В.А., Кулиш В.Г. Реконструкция лесопильных предприятий. -М.: "Лесная промышленность", 1980. 184 с.

30. Медведев В.А. Технологические основы гибких производственных систем / Под ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Высшая школа, 2000. - 255 с.

31. Нейлор Т. и др. Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем. -М.: "Мир", 1975. 504 с.

32. Палагин В.А., Дорошенко В.А., Леонов Л. В. Автоматика и автоматизация производственных процессов деревообработки. -М.: "Экология", 1993. -352 с.

33. Патякин В.И., Редькин А.К., Шадрин А.А. и др. Технология оборудования лесных складов и лесообрабатывающих цехов. Учебник для вузов / Под ред. В.И. Патякина. М.:ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. - 384 с.

34. Песоцкий А.Н. Лесопильное производство. Учебник для вузов. Издание 4-е переработанное и дополненное М.: "Лесная промышленность", 1970 - 432 с.

35. Песоцкий А.Н., Ясинский В. С. Проектирование лесопильно-деревообрабатывающих производств. — М.: "Лесная промышленность", 1976. — 376 с.

36. Петровский В. С., Харитонов В.В. Автоматизация производственных процессов лесопромышленных предприятий. — М.: "Лесная промышленность", 1990.-472 с.

37. Пижурин А.А., Пижурин А.А. Моделирование и оптимизация процессов деревообработки. М.:ГОУ ВПО МГУЛ, 2004. - 375 с.

38. Редькин А.К. Гибкие технологические процессы лесообрабатывающих цехов. / А.К. Редькин, А.А. Шадрин // Лесной вестник 2006. -№1(43).-С. 65-71.

39. Редькин А.К. Лесообрабатывающие цехи лесозаготовительных предприятий / А.К. Редькин, В.Д. Никишов, А.А. Шадрин и др. М.: МГУЛ, 2002.- 101 с.

40. Рудин Ю.И. Автоматизированное проектирование поставов для производства обрезных пиломатериалов: Методические указания. М.: МГУЛ, 2002. - 14 с.

41. Рыкунин С.Н., Пятков В. Е. Методы составления и расчёта поставов. Учебное пособие. М.: МГУЛ, 2005. - 70 с.

42. Рыкунин С.Н., Тюкина Ю.П., Шалаев B.C. Технология лесопильно-деревообрабатывающих производств. Учебник для ВУЗов. М.: МГУЛ, 2005.• 226 с.

43. Симонов М.Н. Распределение круглых лесоматериалов по толщине и сортиментам // Комплексная переработка и использование древесины: сб. науч. тр. Химки: ЦНИИМЭ, 1983. - С. 14-19.

44. Соболев И.В. Управление производством пиломатериалов. М.: "Лесная промышленность", 1981. — 184 с.

45. Справочник по лесопилению (под редакцией A.M. Копейкина) 2-е изд., переработанное и дополненное — М.: "Экология", 1991. — 496 с.

46. Суханов А.К. Управление качеством лесопродукции: Учебное пособие для вузов. М.: МГУЛ, 2005. - 284 с.

47. Титков Г.Г. Краткое руководство по составлению и расчету поставов. М., ГЛБИ, 1955 - 49 с.

48. Турушев В.Г. Технологические основы автоматизированного производства пиломатериалов. — М.: "Лесная промышленность", 1975. — 208 с.

49. Турушев В.Г., Иванов Д. В. Технология и оборудование для обработки пиломатериалов и подготовки их к реализации. Архангельск: АГТУ, 2002. - 120 с.

50. Уголев Б.Н. Древесиноведение и лесное товароведение. Учебник для вузов. М.: МГУЛ, 2007. - 352 с.-52. Уласовец В.Г. Технологические основы производства пиломатериалов. Учебное пособие. Екатеринбург: УГЛТУ, 2002. - 510 с.

51. Фельдман Х.Л. Система максимальных поставов. М.: "ГЛТИ", 1932-276 с.

52. Фергин В.Р. Гибкая технология раскроя пиловочного сырья //Деревообрабатывающая промышленность, 1996. — №5. — С. 5-7.

53. Фергин В.Р. Интенсификация процессов пиления древесины. М.: "Лесная промышленность", 1988. - 144 с.

54. Фергин В.Р. Проблема выбора гибкой технологии лесопиления // Деревообрабатывающая промышленность. 1999. — №1. — С. 3-5.

55. Фергин В.Р. Теория и расчет совмещенных поставов // Деревообрабатывающая промышленность. — 2000. №2. - С. 4-7.

56. Фергин В.Р., Шако О.И. Гибкие технологии лесопиления //Научные труды МГУЛ (электронная версия), 2002. №1.

57. Фергин В.Р., Шако О.И. Сортирование пиловочного сырья по размерам брёвен. Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 331. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. - С. 82-88.

58. Шако О.И. Анализ алгоритмов сортирования и классифицирования пиловочного сырья // Вестник Московского государственного университета леса Лесной вестник - 2007. - №4. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ. - С. 142-147.

59. Шако О.И. Гибкие технологии для раскроя среднемерного пиловочного сырья. Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. - Вып. 326. - М.: МГУЛ, 2005. - С. 41-44.

60. Шако О.И. Исследование функции коэффициента выхода обрезных пиломатериалов. — Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. Вып. 335. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. - С. 88-91.

61. Шако О.И. Модель и программа расчета поставов для раскроя бревен на обрезные пиломатериалы заданных размеров. — Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. Вып. 326. - М.: МГУЛ, 2005. -С. 37-40.

62. Шако О.И. Прогнозирование объёмного выхода пиломатериалов. -Технология и оборудование для переработки древесины //Науч. тр. Вып. 331. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2005. - С. 88-91.

63. Шалаев B.C. Совершенствование теории раскроя древесного сырья на пилопродукцию заданных размеров и качества. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. М.: МГУЛ, 1995. - 284 с.

64. Шапиро Д.Ф. Лесопильно-строгальное производство. — М., 1935 — ГЛТИ, 507 с.

65. Щеглов В.Ф. Лесопиление и деревообработка накануне XXI века // Деревообрабатывающая промышленность 2000. — №2. - С. 2-3.

66. Янушкевич А.А. Технология лесопильно-деревообрабатывающей промышленности. Минск: Изд. БТИ им. С. М. Кирова, 1993. - 78 с.

67. Brown D. Determining Lumber Traded Series and Monitoring Sawing Accurancy // Forest Products Journal. 1979. Vol. 29. #4, p. 48-54.

68. King B. NC mill automates, uses thing saws to stay competitive -Logging and Sawmilling Journal, 1985, vol. 16, #10, p. 18-20.