автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Рациональный раскрой пиловочного сырья дальневосточного региона

У

ХАБАРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

РАЦИОНАЛЬНЫЙ РАСКРОЙ ПИЛОВОЧНОГО СЫРЬЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА

специальность 05.21.05 - Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор

ПИЖУРИН Андрей Абрамович

На правах рукописи УДК 674.093

БЕЛОЗЕРОВ Иван Лукич

ДИССЕРТАЦИЯ

Хабаровск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................6

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРОБЛЕМЕ РАСКРОЯ ПИЛОВОЧНОГО СЫРЬЯ НА ПИЛОПРОДУКЦИЮ.......................13

1.1. Краткий исторический обзор......................................................................................13

1.2. Анализ теоретических основ раскроя пиловочного сырья............................14

1.3. Цель и задачи исследований.......................................................................................26

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ЛЕСОСЫРЬЕВОЙ БАЗЫ И СОСТОЯНИЕ ЛЕСОПИЛЕНИЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА..........................................28

2.1. Распределение площади лесов...................................................................................28

2.2. Распределение запаса древесины..........................................................................30

2.3. Динамика лесного фонда Дальнего Востока.......................................................36

2.4. Краткая характеристика основных древесных пород, используемых

в лесопилении....................................................................................................................37

2.5. Отличительные особенности лесоматериалов дальневосточного региона.................................................................................................................................41

2.6. Состояние лесопромышленного комплекса..................................................... .42

2.7. Обзор рынка сбыта лесоматериалов в страны Азиатско-Тихоокеанского региона..........................................................................48

2.8. Выводы.................................................................................................................................59

3. РАЗМЕРНО-КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПИЛОВОЧНОГО СЫРЬЯ, ПОСТУПАЮЩЕГО В РАСКРОЙ..................................................................60

3.1. Теоретические основы построения образующей древесного ствола.........60

3.2. Построение математических моделей хлыстов и пиловочных бревен дальневосточного региона...........................................................................................64

3.3. Характеристика хвойного пиловочного сырья....................................................70

3.4. Характеристика твердолиственного пиловочного сырья...............................77

3.5. Выводы

88

4. РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ РАСКРОЯ ПИЛОВОЧНОГО СЫРЬЯ НА ПИЛОМАТЕРИАЛЫ В УСЛОВИЯХ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА. 90

4.1. Раскрой пиловочника твердолиственных пород................................................90

4.2. Особенности расчета поставов по развально-сегментному способу.........97

4.3. Максимизация ценностного выхода пиломатериалов хвойных пород......98

4.4. Выводы...............................................................................................................................110

5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПЛАНИРОВАНИЯ РАБОТЫ ЛЕСОПИЛЬНО-ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ РЫНОЧНОЙ ЭКОНОМИКИ.............................................................................................I 12

5.1. Системный подход к оптимизации технологического процесса производства пиломатериалов и заготовок.......................................................112

5.2. Определение пространства параметров и переменных, определяющих функционирование производственной системы.............................................116

5.3. Выбор критерия оптимизации..................................................................................121

5.3.1. Суммарная стоимость произведенной товарной продукции 122

5.3.2. Себестоимость товарной продукции лесопильно-деревообрабатывающего производства..................................................123

5.3.3. Оценка эффективности работы лесопильно-деревообрабатывающего предприятия...................................................125

5.3.4. Критерий чистого результата......................................................................126

5.4. Построение оптимизационной математической модели лесопильно-деревообрабатывающих производств..................................................................127

5.5. Анализ построенной оптимизационной математической модели............135

5.6. Выводы..............................................................................................................................137

6. ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОПТИМИЗАЦИОННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ ВЛИЯНИЯ ВАЖНЕЙШИХ ФАКТОРОВ НА ВЫХОД ПИЛОПРОДУКЦИИ..........................................................................................................138

6.1. Классификация факторов, влияющих на выход пиломатериалов,

и выявление важнейших из них.............................................................................138

6.2. Влияние размерно-качественных характеристик сырья на выход пиломатериалов.............................................................................................................140

6.3. Влияние организационных факторов............................................................ 149

6.4. Влияние технологических факторов.................................................................. 160

6.5. Влияние технических факторов....................................................................... ......164

6.6. Разработка программного обеспечения по расчету оптимальных поставов на ЭВМ..........................................................................................................169

6.6.1. Расчет оптимальных размеров экспортных пиломатериалов_______170

6.6.2. Расчет поставов на обрезные пиломатериалы с применением ЭВМ........................................................................................................................173

6.6.3. Программа расчета поставов на необрезные пиломатериалы по развальному способу.......................................................................................I 79

6.6.4. Расчет поставов по развально-сегментному способу.......................182

6.7. Выводы...............................................................................................................................185

7. УСТАНОВЛЕНИЕ ОБЪЕМНОГО И ПОСОРТНОГО ВЫХОДА

ПИЛОПРОДУКЦИИ.............................................................................................................187

7.1. Разработка нормативов посортного выхода необрезных пиломатериалов твердолиственных пород........................................................188

7.2. Разработка нормативов посортного выхода пиломатериалов

из древесины хвойных пород..................................................................................192

7.3. Анализ баланса древесины и нормативов посортного выхода..................201

7.4. Анализ нормативов посортного выхода экспортных пиломатериалов 204

7.5. Определение расхода лесоматериалов на производство деталей тары 212

7.6. Нормирование выхода заготовки клепки.............................................................215

7.7. Выработка черновых мебельных заготовок из древесины ильма............225

7.8. Выводы...............................................................................................................................230

8. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ПОСТАВОВ........................................................................................................232

8.1. Краткая характеристика применяемого при расчетах графического метода................................................................................................................................232

8.2. Графики для расчета поставов на необрезные пиломатериалы................233

8.3. Графики для расчета поставов на экспортные пиломатериалы................236

8.4. Выводы...............................................................................................................................240

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ........................................................................241

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................245

ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................281

ВВЕДЕНИЕ

Владея самыми крупными запасами древесного сырья и занимая первое место в мире по производству пиломатериалов, наша страна ежегодно вырабатывает их свыше 70 млн. м3 только по планируемому кругу. При этом важная роль отводится лесоизбыточным районам, к которым относятся Сибирь и Дальний Восток, имеющим устойчивую перспективу развития лесопиления. Дальний Восток занимает первое место в России по площади лесов и второе - по запасам древесины, кроме того, через него Россия выходит в наиболее динамично развивающийся в мире Азиатско-Тихоокеанский регион (АТР).

На страны АТР приходится более 31 % территории земного шара, 40% населения и 50% совокупного внутреннего валового продукта, более 40% мирового экспорта. Средние темпы экономического роста в них составляют 7,...,8% ежегодно. Наиболее близки к странам АТР Дальний Восток и Сибирь. На Дальний Восток приходится около 30%) территории России, он богат природными ресурсами, имеет крупные морские порты. Доля экспорта лесоматериалов в совокупном экспорте регионов составляет 80%о.

В связи с наметившейся тенденцией истощения лесосырьевой базы (особенно в доступных для транспортирования зонах), прекращением на Дальнем Востоке заготовок реликтовой древесной породы кедра корейского лесопильные предприятия начинают интенсивно вовлекать древесину лиственницы даурской, лиственных пород, среди которых наибольшие объемы приходятся на древесину березы ребристой, ильма, ясеня маньчжурского. В лесах Дальнего Востока сосредоточено около 10% запасов древесины ценных твердолиствен-ных пород, например, запасы древесины ясеня маньчжурского составляют около 80%о всех запасов, в том числе на долю Хабаровского края приходится около 30%.

С учетом особенностей дальневосточного сырья, слабой изученности его размерно-качественных характеристик, изменений в оснащенности лесопиль-

ных цехов за счет внедрения импортного ленточнопильного оборудования и состояния экономики особенно остро встает задача рациональной переработки поступающего в раскрой сырья. Поэтому постановка исследований, направленных на решение этой задачи, является актуальной и вполне согласуется с основными направлениями экономического и социального развития отрасли, предусматривающими внедрение в производство ресурсосберегающей техники и технологии, комплексного использования древесного сырья. Решение проблемы рационального раскроя позволяет также улучшить экологическую ситуацию в регионе, так как повышение объемного и качественного выхода пиломатериалов способствует снижению объемов лесозаготовок, что позволит сохранить нерестовые реки Дальнего Востока.

В России еще в 30-х годах были заложены основы теории раскроя пиловочного сырья. Основоположником этой теории Х.Л.Фельдманом и его последователями Д.Ф.Шапиро, Г.Г.Титковым, А.Н.Песоцким, М.Н.Гутерманом, В.А.Залгаллером, Н.А.Батиным, П.П.Аксеновым, С.Н.Рыкуниным, М.С.Розенблитом, В.С.Шалаевым и многими другими создана стройная система, ориентированная прежде всего на максимизацию объемного и качественного выхода обрезных пиломатериалов. Но и в настоящее время эта теория не может дать ответа на многие проблемы технологии лесопиления. Поэтому требуется дальнейшее углубление и совершенствование теории раскроя пиловочного сырья на пиломатериалы. Это связано с техническим прогрессом, изменением размерно-качественной характеристики поступающего в раскрой пиловочного сырья и его породного состава, ужесточением требований экологов, изменением действующих стандартов на сырье и пиленую продукцию и многими другими факторами.

Целью диссертационной работы является совершенствование теории и разработка методологии рационального раскроя пиловочного сырья в условиях Дальнего Востока.

Основу содержания первой главы составляет краткий обзор литературы по проблеме раскроя пиловочного сырья на пиломатериалы и пиломатериалов на заготовки. Проанализированы основные этапы создания и совершенствования теории раскроя за последние 60 лет.

Во второй главе приведена характеристика лесосырьевой базы Дальнего Востока: дан анализ распределения площадей лесов и запаса древесины по основным древесным породам в девяти территориальных образованиях региона и выявлена динамика лесного фонда в последние годы. Дано краткое описание основных древесных пород, используемых в лесопилении, и отличительных особенностей поступающего в раскрой пиловочного сырья.

В этой же главе отражены результаты исследований по выявлению состояния лесопиления на Дальнем Востоке: дан анализ состояния лесопромышленного комплекса и его внешнеэкономической деятельности. Выявлены основные тенденции развития лесной отрасли в последние годы. Вскрыты их причины и предложены пути выхода из сложившегося кризиса.

В третьей главе даны теоретические основы моделирования формы древесных стволов и пиловочных бревен различной вырезки, приведены результаты исследования размерно-качественных характеристик поступающего в лесопиление пиловочного сырья основных хвойных и лиственных пород.

В четвертой главе изложены теоретические основы раскроя пиловочного сырья твердолиственных пород на необрезные и односторонне обрезные пиломатериалы применительно к двум основным способам раскроя - развальному и развально-сегментому. Выполнены исследования по максимизации выхода пиломатериалов в стоимостном выражении при раскрое хвойного пиловочника на обрезные пиломатериалы применительно к условиям Дальнего Востока, приведен метод расчета поставов, обеспечивающий получение максимального ценностного выхода.

В пятой главе предложена методика построения математической модели

для решения задач оптимизации планирования раскроя древесного сырья и выпуска товарной пилопродукции на лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях.

Шестая глава отражает результаты исследований по влиянию наиболее значимых факторов на выход пилопродукции: разработано программное обеспечение и выполнен расчет поставов на ЭВМ при варьировании размерно-качественных характеристик сырья, организационных, технологических и технических факторов. Это позволило разработать рекомендации по рациональному раскрою пиловочного сырья.

В седьмой главе приведены результаты экспериментальных исследований на лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях: Уссурийский и Приморский деревообрабатывающие комбинаты Приморского края; Ключевской и Камчатский леспромхозы, Усть-Камчатская лесоперерабатывающая база Камчатской области; Хорский и Тунгусский деревообрабатывающие комбинаты, Бикинский лесозавод, Мухенский и Амурский лесопильно-деревообрабаты-вающие комбинаты, Троицкий леспромхоз, Дурминский бондарный завод Хабаровского края. Обработка результатов, полученных в ходе проведения опытных распиловок, позволила определить объемный и посортный выход и разработать нормативы посортных выходов обрезных и необрезных пиломатериалов, а также заготовок различного назначения (клёпки и деталей тары, черновых мебельных заготовок).

В восьмой главе описаны разработанные графики для расчета поставов: при выработке необрезных пиломатериалов из твердолиственного пиловочника; при выработке экспортных пиломатериалов, ориентированных на страны Азиатско-Тихоокеанского региона (Япония, Республика Корея, Китай и др.).

Научная новизна работы состоит в разработке следующих методологических и теоретических положений:

1. Разработаны математические модели образующих древесных стволов и

вырабатываемых из них пиловочных бревен для шести основных дальневосточных пород древесины.

2. Определены размерно-качественные характеристики поступающего в раскрой пиловочного сырья и выполнено математическое описание границ качественных зон.

3. Предложена оптимизационная математическая модель планирования работы лесопильно-деревоообрабатывающих предприятий в условиях рыночной экономики.

4. Применительно к условиям Дальнего Востока разработаны аналитические решения по расчету поставов на выработку необрезных пиломатериалов из пиловочника твердолиственных пород, а также поставов на выработку обрезных хвойных пиломатериалов, максимизирующих их выход в стоимостном выражении.

5. Установлены закономерности выхода обрезных и необрезных пиломатериалов от размерно-качественных характеристик пиловочного сырья дальневосточного региона.

Практическая значимость работы. Наибольшую практическую ценность представляют следующие результаты выполненных исследований:

- аналитический и графический методы расчета поставов на обрезные и необрезные пиломатериалы, разработанные применительно к условиям производства в дальневосточном регионе и существенно упрощающие расчеты поставов и планирование раскроя пиловочного сырья;

- алгоритмы и программы расчета на ПЭВМ поставов на выработку обрезных и необрезных пиломатериалов для основных способов раскроя (развальный, брусово-развальный, развально-сегментный), которые учитывают особенности производства, являются универсальными, позволяют варьировать множество факторов и оптимизировать раскрой пиловочного сырья основных древесных пород, включая мягкие хвойные породы, лиственницу даурскую,

ильм, ясень маньчжурский;

- нормативы объемного и посортного выхода обрезных и необрезных пиломатериалов из пиловочного сырья основных древесных пород, а также деталей тары, заготовок клепки и мебели, позволяющие определять расход древесины и выбирать оптимальные схемы раскроя пиловочного сырья на пиломатериалы и черновые заготовки;

- результаты исследования на оптимизационной математической модели влияния важнейших факторов на выход пилопродукции, позволяющие вырабатывать для конкретных производственных условий рекомендации по рациональному раскрою пиловочного сырья, максимизировать об�