автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Управление лесоскладскими процессами предприятий с рейдами приплава

РГ6 КАфкЦУСИН АЛЬБЕРТ АБЕТДИНОВИЧ

о з т 12РЗ

"УПРАВЛЕНИЕ ЛЕСОСКЛАДСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРЕДПРИЯТИЙ С РЕЙДАМИ ПРИПЛАВА

05.21.01 — Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

КАМУСИН АЛЬБЕРТ АБЕТДИНОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ЛЕСОСКЛАДСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРЕДПРИЯТИЙ С РЕЙДАМИ ПРИПЛАВА

05.21.01 — Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена на кафедре транспорта леса Московского государственного университета леса.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Патякин В.И. доктор технических наук, профессор Липман Д.Н.

доктор экономических наук, профессор Кожухов Н.И.

Ведущая организация:

Волжско-Камский научно-исследовательский и проектно-конст-рукторский институт водного лесотранспорта (ВКНИИВОЛТ)

Защита диссертации состоится б марта 1998 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д.053.31.01 в Московском государственном университете леса (Россия, 141005, г. Мытищи-5, Московская обл., МГУЛ)

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, направлять по адресу:

141005, г. Мытищи-5, Московская обл., МГУЛ, ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ.

Автореферат разослан 30 января 1998 г.

Типография издательства Московского государственного университета леса 141001, Мытищи - 1, Московская обл., 1-я Институтская, 1.МГУЛ

Ученый секретарь диссертационного совета

Л Р № 020718 от 02. 02. 1993 г.

Подписано в печать 26.01.98 г. Объем 2,75 п.л. ■_

Тираж 100 Заказ № 27

д.т.н., профессор

Семёнов Ю.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для доставки древесного сырья на многие лесопромышленные предприятия (ЛП11) широко используют водный транспорт. Основные потребители этой древесины: лесоперевалочные базы, предприятия и лесные порты (ЛПБ, ЛП), лесные склады угледобывающей и горнорудной промышленностей (ЛС), деревообрабатывающие и домостроительные комбинаты (ДОК и ДСК), целлюлозно-бумажные комбинаты (ЦБК), лесопильные и деревопе-рерабатывающие комбинаты (ЛПДК), лесопромышленные комплексы и лесоперевалочные комбинаты (ЛПК), лесозаводы (ЛЗ) и другие. Эти предприятия объединяет наличие у них рейдов приплава и специфика лесных складов с поставкой сырья в навигационный период.

Устройство рейда приплава зависит от вида лесосплава, который может быть молевым, плотовым и доставка лесоматериалов в судах. На предприятия древесина поступает различными видами лесосплава. Все рейды приплава предназначены для приёма, хранения и подготовки древесины к выгрузке. После этой операции она может поступать в штабели межнавигационного запаса или на обработку, которая заключается в окорке и разделке длинномерных сортиментов на короткомерные, сортировке и выполнении других операций, или на подготовку её к переработке (продольная распиловка, выработка щепы, шпона и т.д.). Круглые лесоматериалы только на ЛПБ и ЛП могут быть без обработки перегружены на другие виды транспорта и отправлены потребителям.

Для выполнения основных лесоскладских операций на предприятиях с рейдами приплава применяют более 200 типов и марок различных машин, механизмов и другого оборудования. Эти предприятия имеют существенные отличия по объёму и его назначению, количеству выполняемых операций, типу компоновок механизмов в технологические линии, выпуску готовой продукции и ряду других факторов, которые влияют на технико-экономические показатели технологических процессов. Лесные склады этих предприятий имеют сложную структуру, а выполняемые операции являются наиболее трудоёмкими. От качества технологических решений и организации лесоскладских процессов зависит повышение производительности труда, снижение себестоимости готовой продукции, эффективность выполняемых работ и улучшение использования сырья и оборудования. Лесоскладской процесс представляет сложную систему с максимальной загрузкой оборудования в навигационный период и оказывает существенное влияние на функционирование всего комплекса лесопромышленного предприятия. Трудоёмкость лесоскладских операций на этих предприятиях колеблется от 20 до 70 % объёма основных работ.

На многих предприятиях для выполнения лесоск л адских операций применяют дорогостоящую и уникальную технику, например кабельные краны грузоподъёмностью 10-30 т с пролётом и фронтом штабелевки 500-700 м. На загрузку этой техники, которая составляет 25-80 %, оказывают существенное влияние простои оборудования технологических линий. Технологические и экономические показатели работы машин и оборудования, применяемых в лесоскладских процессах, значительно ниже их расчётных величин.

Развитие механизации и автоматизации лесоскладских работ связано с техническим оснащением ЛПП с рейдами приплава путём последовательного перехода от создания отдельных машин и механизмов к разработке и внедрению эффективных систем машин, позволяющих рационально использовать их технико-экономические и эксплуатационные параметры, снизить затраты на единицу производительности лесоскладских комплексов. При разработке лесоскладских процессов не всегда использовались методы компоновки оборудования в технологические линии с учётом их взаимовлияния и воздействия потоков древесины на весь комплекс выполняемых операций.

Формирование лесоскладских комплексов должно быть обосновано современными методами исследования операций, изучением и обобщением опыта эксплуатации как отдельных машин, так и технологических линий, применяемых на ЛПП, получающих древесное сырьё водным транспортом.

Учитывая роль и значение водного транспорта для доставки древесины на лесопромышленные предприятия, вопросы повышения эффективности лесоскладских работ на этих предприятиях являются актуальными.

Цель и задачи исследования. Основной целью исследования является разработка последовательных подходов к построению научно обоснованных принципов расчёта, оценки и выбора наиболее эффективных компоновок машин, механизмов и оборудования в технологические линии, применяемых для выполнения необходимых лесоскладских операций на ЛПП, получающих древесину водным транспортом.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить закономерности формирования структуры технологических линий лесопромышленных предприятий с рейдами приплава.

2. Разработать структурные схемы:

— лесоскладских процессов ЛПП при поставке древесины на рейды приплава этих предприятий различными видами лесосплава;

— основных лесоскладских операций, применяемых на различных по назначению лесопромышленных предприятиях.

3. Исследовать свойства и признаки:

— оборудования, выполняющего основные лесоск л адские операции;

— технологических линий с различной компоновкой машин и механизмов.

На основе анализа результатов этих исследований необходимо было разработать классификацию лесоскладского оборудования и механизмов и группировку технологических линий.

4. Разработать методы формирования лесоскладских комплексов с использованием классификационных схем оборудования и структурных схем технологических линий.

5. Установить взаимодействие и влияние качественных и количественных характеристик машин и оборудования технологических линий и потоков древесины в процессе реализации заданного технологического процесса.

6. Применить экспериментальные методы получения характеристик по потокам древесины, поступающей на выгрузку и к оборудованию технологических линий, и по продолжительности циклов выполняемых операций.

7. Разработать теоретические методы расчёта, оценки и выбора эффективных компоновок оборудования в технологические линии с использованием принципов исследования операции.

8. Разработать направления по совершенствованию лесоскладских процессов предприятий с рейдами приплава на базе результатов теоретических и экспериментальных исследований и рекомендации по их использованию.

9. Разработать методы расчёта многоканальных многофазных технологических линий со сложной комбинированной структурной схемой компоновки машин и оборудования.

Научная новизна. Разработаны математические модели функционирования технологических линий лесоскладских процессов лесопромышленных предприятий с рейдами приплава на основе методов системного анализа и исследования операций, позволивших определить параметры систем и оптимизировать их. При решении этой проблемы получены новые научные результаты.

1. Предложен системный анализ структуры и организации лесоскладских процессов ЛПП, получающих древесину водным путем.

2. Разработаны принципы синтеза структур технологических линий лесоскладских комплексов.

3. Предложен метод анализа работы технологических линий как систем:

— установлены закономерности и математические зависимости воздействия различных факторов на технико-экономические и технологические характеристики систем;

— разработаны методы: расчёта количественных и качественных характеристик систем, а также критерия их эффективности.

4. Разработаны моделирующие алгоритмы функционирования технологических линий с различными структурными схемами.

5. Разработаны основы инженерных расчетов сложных комбинированных многофазных технологических линий.

Практическая значимость работы. Результаты исследования позволяют:

— проводить оценку техники и технологии лесоскладских процессов с различными вариантами компоновки оборудования в технологические линии с учётом назначения лесопромышленного предприятия и вида лесосплава, принятого для доставки древесины;

— рассчитать необходимую вместимость буферных накопителей для многофазных технологических линий с гибкой связью;

— рассчитать сложные комбинированные многофазные структуры технологических линий по разработанным прикладным программам на ЭВМ;

— применить структурные и классификационные схемы, формулы, графики и рекомендации при проектировании и рскопструк ции лесоскладских процессов в научно-исследовательских работах и в учебном процессе вузов лесного профиля.

На защиту выносятся:

1. Научные основы управления лесоскладскими процессами ЛПП с рейдами приплава, позволяющие оценить их эффективность и принять оптимальное решение.

2. Разработанные методы:

— анализа основных закономерностей формирования лесоскладских комплексов;

— предварительной оценки и выбора технических и технологических решений лесоскладских процессов для различных по назначению ЛПП (с учетом особенностей структурных схем технологических линий и классификационных схем применяемого оборудования);

— оценки функционирования технологических линий с учетом взаимовлияния технических и технологических параметров применяемых машин и оборудования и вероятностного характера событий в лесоскладских процессах;

— экспериментального анализа работы лесоскладских комплексов ЛПП как систем с различными вариантами компоновки машин и оборудования в технологические линии по обработке круглых лесоматериалов;

— определения зоны взаимной аппроксимации теоретических распределений с учетом основных факторов, влияющих на выбор типа распределения потоков древесины и продолжительности циклов основных лесоскладских операций.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерности воздействия различных факторов на основные параметры технологических линий как системы массового обслуживания; модели функционирования; оптимизационные модели систем.

4. Результаты математического моделирования и расчета сложных комбинированных схем компоновки машин и оборудования в технологические линии, применяемых в лесоскладских процессах и соответствующих многофазным и многоканальным системам.

Апробация результатов работы.

Основные положения и результаты исследований были доложены и обсуждались на:

— ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Московского государственного университета леса (МЛТИ, МГУЛ) в 1971-1997 гг.;

— II научно-технической конференции по лесосплаву в 1972 г. (г. С.-Петербург);

— IV научно-технической конференции аспирантов и молодых специалистов лесной промышленности в 1973 г. (г. Москва);

— научной конференции преподавателей и аспирантов в 1973 г. (г. Львов);

— семинаре по оптимальному управлению производственными процессами в 1975 г. (Москва, МЛТИ);

— технических совещаниях: в Междуреченском ЛПК в 1978 г. (г. Междуреченск Самарской обл.); на производственном объединении "Волголесосплав" в 1982 г. (г. Самара), в АО "Мантуроволес" в 1995, 1996 гг. (г. Мантурово Костромской обл.);

— IV Всесоюзной НТК "Комплексная механизация и автоматизация переместительных операций в лесной, дереводерерабатыва-ющей и целлюлозно-бумажной промышленности" в 1984 г. (г. Москва);

— Всероссийской НТК "Проблемы ресурсосберегающих и экологически чистых технологий на предприятиях лесного комплекса и подготовка лесоинженерных кадров" в 1994 г. (г. Воронеж);

— XXX Международном симпозиуме "Механизация лесных работ" в 1996 г. (г. Москва);

— II Международном симпозиуме "Строение, свойства и качество древесины" в 1996 г. (г. Москва);

— Всероссийской НТК "Теория, проектирование и методы расчёта лесных и деревоперерабатывающих машин" в 1997 г. (г. Москва).

Реализация результатов работы.

Результаты работы внедрены на Междуреченском ЛПК лесосплавного объединения " Волголесосплав", на предприятиях АО

"Мантуроволес" Костромской обл., а также в учебном процессе в виде учебных пособий и методических разработок, в лекциях по дисциплине "Водный транспорт леса", при выполнении курсовых работ и дипломном проектировании по специальности " Лесоинженерное дело .

Приведённые в диссертации данные нашли отражение в 27 научных отчётах, которые были выполнены в рамках заказов предприятий и организаций лесной отрасли в 1968-1996 гг.

Публикации. Основное содержание работы и результаты выполненных исследований опубликованы в 39 научных статьях (в том числе 6 авторских свидетельств, 4 учебных пособиях) и 6 методических разработках для студентов лесотехнических вузов.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, основных выводов и заключения, списка использованных источников и 13 приложений. Содержание работы изложено на 361 стр. машинописного текста, иллюстрировано 50 рисунками и 44 таблицами. Список литературы включает 230 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены общие сведения о лесопромышленных предприятиях с рейдами приплава; структуре и видах водного транспорта леса и их роли в снабжении ЛПП древесиной; об основных операциях, применяемых в лесоскладских процессах при обработке круглых лесоматериалов. Рассмотрены преимущества береговой сплотки лесоматериалов по сравнению с молевым лесосплавом.

Определены цели, задачи, методы исследования и дано обоснование актуальности темы диссертации.

В первом разделе более подробно рассмотрены состояние проблемы и задачи исследования. Показано влияние структуры и видов лесосплава на технику и технологию рейдов приплава и лесных складов ЛПП. Дана характеристика лесоскладских процессов таких ЛПП, как ЛПБ, ЛП, ЛС, ДОК, ДСК, ЦБК, ЛПДК, ЛПК и ЛЗ, получающих древесину водным транспортом. Лесные склады лесозаготовительных (верхние и нижние) и лесосплавных (береговые) предприятий в данной работе не исследовались.

Приведена общая оценка древесины, поступающей на рейды приплава ЛПП, и использование ее для производства различной продукции в соответствии с назначением каждого предприятия. Проанализирован обширный материал по способам и методам качественной и количественной оценки топляков, сплава лиственной древесины и поставки их на ЛПП водным транспортом. Результаты анализа могут быть применены на ЛПП с рейдами приплава.

Дан краткий анализ работ по изучению и совершенствованию отдельных операций и лесоскладских процессов ЛПП.

Исследования техники и технологии ЛПП, в том числе с рейдами приплава, выполнялись учеными учебных и научно-исследовательских институтов: МГУЛ (МЛТИ), ЛТА(г. С.-Петербург), АГТУ (АЛТИ, г. Архангельск), УГЛТА (УЛТИ, г. Екатеринбург), КГТА (СТИ, г. Красноярск), МарГТУ (МарПИ, г. Йошкар-Ола), ЦНИИле-сосплава, ВКНИИВОЛТ, Гипролестранс, ЦНИИМЭ, Гипродрев, Сев-НИИП, СНИИЛП, СибНИИЛП, СвердНИИПдрев, ЦНИИМОД, Цен-трогипрошахт, Гипробум, Тюменьский НИИПЛесдрев, КарНИИЛП, других организаций и отдельных авторов.

В этих исследованиях решались задачи совершенствования как отдельных операций, так и технологических линий. Результаты работ были использованы при анализе лесоскладских процессов исследуемых предприятий и классификации оборудования технологических линий.

Обзор работ по моделированию и оптимизации технологических процессов ЛПП показал, что для решения поставленных задач исследователи широко использовали методы, основанные на статистическом анализе фактических данных и полученной информации с применением вычислительной техники. Одним из эффективных методов такого анализа являются математические методы и модели исследования операций. Применение этих методов для анализа, моделирования и оптимизации технологических процессов предприятий лесной промышленности нашло отражение в работах многих авторов. Вопросы совершенствования техники и оптимизации технологических процессов ЛПП рассмотрены в работах В.И. Алябьева, Б.А. Васильева, B.C. Ганжи, Д.Л. Дудюка, Ю.В. Лебедева, А.К. Редькина, В.Г. Рогулина, Ю.А. Садовского, И.В. Турлая, В.Р. Фергана, Б.И. Шугорта и других авторов, в которых использованы вероятностные методы решения поставленных задач. Анализ этих работ показал, что применение вероятностных методов в научных исследованиях процессов лесной и других отраслей промышленности позволяет успешно решать поставленные задачи и дает положительные результаты. С учетом этого, при решении вопросов оптимизации лесоскладских процессов ЛПП с рейдами приплава были сформулированы основные задачи исследования.

Для исследования лесоскладских процессов лесопромышленных предприятий с рейдами приплава, с учётом решения аналогичных задач по оптимизации, необходимо следующее: провести анализ основных операций, выполняемых на лесных складах предприятий с рейдами приплава; определить состав и содержание операций в лесоскладских процессах; установить структуру взаимовлияния и взаимодействия операции в исследуемых процессах; провести анализ основных признаков и свойств оборудования машин и механизмов, применяемых в исследуемых процессах, и на основе этого дать их класси-

(ОДпралвастошеьш лахшаеои

гррвдшш! «шок

уаройаводоя расшкпута

1р«СЦЯНЛ

лопертЛ оюмр

«я

одолыт таЫйр

II

погрузи» тцша олребшя! км подача па

штабель ■ошашгащнш

а)

Рис. 1. Структурная схема операций и применяемых механизмов в лесоскладских процессах при поступлении древесины на предприятие плотовым сплавом (а) и в судах (б)

фикацию; по результатам анализа лесоскладских процессов выполнить их группировку; провести формализацию процессов исследуемых предприятий и на ее основе выполнить математическое моделирование; обосновать соответствие лесоскладских процессов каждой группы определенным аналогам; выполнить сбор и математическую обработку производственных данных потоков лесоматериалов в технологических линиях и продолжительности циклов операций по обработке этого сырья; сравнить с результатами теоретических исследований фактические данные, полученные в производственных процессах лесных складов предприятий с рейдами приплава; выбрать метод и установить критерии оптимизации исследуемых процессов с определением характерных показателей, влияющих на критерий эффективности; разработать целевую функцию оценки технологических линий предприятий с рейдами приплава; разработать имитационные модели, моделирующие алгоритмы и программы для сложных компоновок оборудования в технологические линии лесоскладских процессов, применяемого на исследуемых ЛПП; разработать рекомендации для внедрения полученных результатов на лесопромышленных предприятиях с рейдами приплава.

В соответствии с целыо и поставленными задачами разработана схема основных этапов исследования и последовательности их выполнения.

Второй раздел посвящен анализу операций лесоскладских процессов ЛПП с рейдами приплава, разработке общих структурных схем основных операций независимо от назначения предприятия по выпуску готовой продукции.

На исследуемые предприятия древесину поставляют различными видами водного транспорта. В зависимости от этого выбирают выгрузочное оборудование, которое непосредственно влияет на состав оборудования технологических линий или на оборудование для выполнения последующих операций. С учетом этого фактора разработаны структурные схемы технологических процессов для лесных складов предприятий и различных видов водного лесотранспорта. В эти схемы включены основные операции при поставке древесины на рейд приплава молевым лесосплавом, при поступлении сырья на рейд приплава в плотах (рис. 1 ,а) и судах (рис. 1,6).

Структурные схемы операции лесоскладских процессов ЛЗ, ЛПДК, ДОК имеют отличие от схем ЛПП. Обобщенная структурная схема процессов этих складов приведена на рис. 2. В каждой схеме выгрузка круглых лесоматериалов выполняется в навигационный период с рейда приплава (РП), и после выполнения последней операции древесина поступает в цехи лесопереработки и лесопиления (ЛП).

В структурных схемах технологических процессов лесопильных и лесоперерабатывающих предприятий приняты следующие обозначения: В — выгрузка древесины с рейдов приплава; Ш — штабелевка древесины для создания межнавигационного запаса; С — размерно-качественная сортировка круглых лесоматериалов; М — удаление из древесины металлических включений; А — пакетирование (комплектование) сортированных сортиментов; Т — тепловая подготовка сырья; О — окорка лесоматериалов; Р — разделка круглых лесоматериалов на сортименты; У — утилизация или переработка отходов.

Структурные схемы технологических процессов лесных складов ЦБК приведены на рис. 3. В этих схемах обозначения соответствуют принятым в схемах рис. 2. После выполнения последней операции древесина поступает в цехи по производству щепы, и далее эта основная масса сырья направляется в специальные цехи ЦБК по производству бумаги, картона, целлюлозы или другой продукции, обозначенные в схемах буквой П.

Выполненный анализ более 80 вариантов технологических схем производственных процессов лесных складов ЛП позволил выделить 32 операции. Структурная схема этих операций позволяет составить для любого ЛП различные варианты компоновок технологических операций склада, начиная от выгрузки лесоматериалов из воды до их погрузки или погрузки готовой продукции, полученной после ее обработки, в ж.д. вагоны.

В приведенных структурных схемах (рис. 1-3) показан упорядоченный набор операций технологических процессов лесных складов ЛПП, но эти схемы не раскрывают многообразия технических средств, при помощи которых эти операции выполняют.

Оценка каждого варианта технологической схемы с определенным количеством соответствующих операций может быть выполнена

й I К11

Рис. 2. Структурные схемы операций лесоскладских процессов лесоперерабатывающих предприятий с рейдами приплава

только после выбора и оценки определенных типов и марок оборудования. Многообразие применяемого оборудования требует проведения их анализа и последующей классификации.

Все технические средства, устройства, оборудование и механизмы (серийно выпускаемые, экспериментальные образцы и др.) по виду выполняемых работ на лесных складах можно разделить на следующие группы: для выгрузки и транспортировки, сортировки, окорки, разделки, формирования пачек и пакетов, погрузки и штабелевки, подготовки древесного сырья и подачи в цехи переработки.

По техническим и технологическим признакам для каждой из указанных групп оборудования разработаны классификационные схемы. При составлении схем были учтены принципы действия оборудования и использованы их технические характеристики.

В качестве примера на рис. 4 приведена классификационная

РП

АЖУ

ХЕК

пщ

п

РП

\

РП

ШУ -{ЖК

ХЕ

>с

1/

ПЩ

У} Ш"

он

пщ

Рис. 3. Структурные схемы операций лесоскладских процессов ЦБК с рейдами приплава

схема оборудования для выгрузки древесины из воды, транспортировки и подачи ее на обработку.

После анализа отличительных свойств выгрузочного оборудования были выделены следующие классификационные признаки: принцип действия, способ выгрузки древесины из воды, тип грузоподъемного оборудования, оснащение грузоподъемного механизма захватными устройствами, способ перемещения материалов.

Лесоскладские процессы предприятий с рейдами приплава представляют собой логически упорядоченный набор операций. Каждую операцию выполняет определенный тип оборудования, где предмет труда как промежуточный продукт поступает к следующему механизму для дальнейшей обработки или выпускается как конечный продукт.

Классификационные схемы дают возможность представить свойства и признаки оборудования технологических линий как последовательность номеров (обозначений), которым они соответствуют.

Каждому набору таких свойств и признаков, согласно классификационной схеме, соответствует один, несколько или целая группа механизмов и характеризует выполняемые операции и применяемое оборудование. Оценка технологических и классификационных схем позволяет выбрать направления проектирования технических средств с определенными заданными признаками и свойствами.

Для оценки эффективности лесоскладских процессов применен синтез структурных схем технологических линий, классификационных признаков и свойств механизмов, когда достигнуто экстремальное значение принятого критерия.

Рис. 4. Классификация оборудования для выгрузки круглых лесоматериалов, штабелевки, погрузки и других переместитель-ных операций

Синтез предусматривает процесс формирования лесоскладско-го комплекса или технологических линий с применением необходимых операций и последовательности их выполнения, более совершенных признаков и свойств механизмов и оборудования по сравнению с существующими по технико-экономическим и эксплуатационным параметрам. Целью синтеза является получение необходимых выходных параметров при выполнении отдельных операций, работе технологических линий или всего комплекса лесопромышленного предприятия с рейдом приплава.

Третий раздел посвящен технологическим линиям лесоскладских процессов как объектам моделирования.

При системном анализе и моделировании необходим этап их формализации с подробным рассмотрением лесоскладских процессов и установление всех факторов, влияющих на эти процессы, с учетом их отличий и особенностей.

На рейды приплава лесопромышленных предприятий круглые лесоматериалы поступают молевым сплавом, в плотах и судах. Установлено, что прибытию сырья на склады свойственны неравномерности по причинам как систематического, так и случайного характера, которые оказывают существенное влияние на работу технологического оборудования и обусловливают производительность как отдельных механизмов, так и технологической линии в целом, что вызывает изменение регулярных процессов и превращение их в случайные.

Кроме фактора случайности, в лесоскладских процессах возникают ситуации накопления лесоматериалов перед каждым механизмом и образования очередей. Очереди при ограниченной вместимости накопителя или устройства буферного запаса вызывают блокировку оборудования.

Характерным для всех лесных складов является большой объем сортировки круглых лесоматериалов, где также действует фактор случайности. Элементы случайности имеют место при выполнении как основного производственного процесса лесного склада, так и вспомогательного.

Отходы производства, образующиеся на лесных складах при обработке круглых лесоматериалов, накапливают в специальных бункерах. Транспортировка и уборка отходов из этих бункеров также бывает неритмичной, что оказывает влияние на функционирование технологических линий.

Анализ лесоскладских процессов позволил установить, что они относятся к динамическим системам, в которых возможны случайные состояния системы и факторы направленного действия. Эти факторы являются переменными величинами, и влияние их на производственные процессы взаимосвязано.

Описать работу таких процессов как вероятностных систем можно, применив математические модели и методы исследования операций, которые позволяют установить определенные закономерности в случайных явлениях. Производственный процесс лесного склада представляется своеобразной вероятностной задачей, которая может быть решена с помощью одного из разделов науки исследования операции, а именно, теории очередей или массового обслуживания.

Лесоскладские процессы предприятий с рейдами приплава при различных вариантах их организации и в зависимости от назначения лесопромышленного предприятия можно представить системой массового обслуживания (СМО).

Анализ работы технологических линий позволил объединить их в пять основных групп.

В первую группу, которая является наиболее сложной, включены технологические линии по обработке круглых лесоматериалов

на лесных складах с последовательно установленным оборудованием, где каждая операция может быть выполнена одним или несколькими механизмами. Характерным признаком процессов обработки лесоматериалов на этих технологических линиях является деление общего поступающего потока лесоматериалов на два и более элементарных потока, причем после выполнения какой-либо операции поток уже обслуженных лесоматериалов может вновь разделен на несколько элементарных потоков (в зависимости от типов и марок применяемого оборудования в каждой фазе обслуживания).

Во вторую группу включены технологические линии, в которых каждая операция выполнена на последовательно установленном оборудовании. Особенностью этих схем и технологических линий является наличие буферных запасов перед последовательно установленным оборудованием с ограниченной вместимостью накопителя перед каждым обслуживающим механизмом.

Третья группа объединяет технологические линии, в которых между оборудованием, выполняющим первую и вторую операции обслуживания, установлен накопитель для создания буферного запаса ограниченного количества круглых лесоматериалов, а вместимость накопителя перед механизмом первой фазы не имеет ограничений.

Четвертая группа включает технологические линии, в которых операции выполняет группа отдельных (функциональных) механизмов. В этих схемах общий поток лесоматериалов, поступающих на обслуживание, распределяется к нескольким механизмам.

В пятую группу включены производственные процессы лесных складов, где выполняют только одну операцию только одним механизмом; последующие операции не влияют на этот участок производства. Эта группа является составляющим элементом первой, второй, третьей и четвертой групп.

Каждая группа имеет свои особенности, которые учитывают при формализации изучаемых процессов и математическом моделировании. Для каждой группы, которыми охватываются все варианты технологических схем лесных складов, характерна совокупность, в которой последовательно связаны между собой поток лесоматериалов, поступающих на обслуживание, очередь лесоматериалов и технические средства. Каждой группе процессов лесных складов соответствует определенная модель СМО (рис. 5).

В четвертом разделе приведены результаты исследований моделей систем, соответствующих лесоскладским процессам предприятий с рейдами приплава, и установлены законы распределений потоков лесоматериалов и продолжительностей циклов операций.

Общий поток лесоматериалов, поступающих на рейд приплава любого ЛПП, разделяется. Причем разделение происходит независимо от вида водного транспорта, принятого для доставки древесины. Разделение потока сырья начинается с фазы рейдовых работ.

Схема технологической линии

Структурная схема

Модели СМО

дав

та вз цт

1. Последовательная, расходящаяся, сходящаяся

Многофазная, многоканальная, с гибкой связью

I

V--......—............. .........—........

X X

2. Последовательная с ограничением

Одно канальная, двухфазная, с гибкой связью

3. Последовательная без ограничений

Двухфазная, одноканапьная, с полужесткой связью

XI *

□

4. Раздельная, расходящаяся

Однофазная, многоканальная

5. Раздельная

Однофазная,

одноханальная,

разомкнутая

Рис. 5. Схемы технологических линий и соответствующие им модели СМО

Характерным для технологических линий по обработке древесины является многократное разделение, или разрежение поступающего потока лесоматериалов. Результаты исследований показывают, что если поток, поступающий на обслуживание, подвергается разделению, или разрежению, то интенсивность его уменьшается, и уже при двух-, четырехкратном разделении получаются потоки, близкие к простейшим, или пуассоновским, потокам. Такое утверждение справедливо даже в случае, когда общий поток требований был регулярным.

Плотность распределения вероятностей Р(£) того, что за время < поступит п требований,

где Л — параметр распределения, или интенсивность потока требований.

Функция распределения F(t) интервалов промежутков времени между поступающими лесоматериалами для пуассоновского потока будет равна

F(t) = 1 — e-At. (2)

Продолжительность времени t обслуживания лесоматериалов на рейде приплава, лесном складе в технологических линиях может быть выражена законом распределения

где Р^0бс — вероятность того, что интервалы продолжительно-стей циклов обслуживания не больше некоторой величины

Продолжительность циклов выполнения операции в соответствии с функцией распределения (3) может быть описана различными типами распределений. При аппроксимации фактических циклов по обработке круглых лесоматериалов экспоненциальным законом распределения функция этого распределения будет определена по формуле (2) с параметром ц. Аппроксимация экспоненциальным законом распределения циклов обслуживания предполагает, что большая часть их будет наименьшей, и значительная доля лесоматериалов будет обслужена при выполнении какой-либо операции с этими циклами. Такое предположение, как показали предварительные результаты анализа фактических продолжительностей циклов выполнения операций на рейдах приплава, в лесоскладских процессах, в технологических линиях, не всегда соответствует основному положению экспоненциального закона распределения. Кроме того, экпоненциальный закон характеризуется только одним параметром распределения — /и.

Наиболее часто для аппроксимации фактических циклов обслуживания требований теоретическим применяют распределение Эр-ланга. Функция плотности распределения вероятностей имеет вид

где 11, к — параметры распределения.

Продолжительность цикла любой выполняемой операции на рейдах приплава и в лесоскладских процессах предприятий не может быть близкой или равной нулю, что характерно для законов распределений экспоненциального и Эрланга. С учетом изложенных выше достоинств и недостатков каждого из рассмотренных законов распределения времени обслуживания требований в системах рассмотрим

F(t) = P{to6c < t)

(3)

(4)

смещенный экспоненциальный закон распределения. Для этого закона функция распределения вероятностей P(t) выполнения операции в течение времени t в общем виде может быть выражена зависимостью

P(t) = 1-е-^-Ч (5)

где ¡1 — интенсивность обслуживания; fo — минимальная продолжительность цикла выполнения операций с круглыми лесоматериалами на рейде приплава или лесоскладских процессах. При условии t < tо в этом распределении P(t) = 0.

Для преобразования смещенного закона распределения, которое отличается от экспоненциального закона распределения только на величину to, используем параметры распределения Эрлапга, имеющего широкий диапазон возможностей для описания фактических циклов выполняемых операций. С учетом этого, смещенный экспоненциальный закон распределения с двумя параметрами примет вид

рф _ j _ е-pVkt+\ft(l-nh/2)-l _ ^

Учитывая принятые законы распределений для потока лесоматериалов и циклов выполнения операций для каждой выделенной группы технологических линий, необходимо установить зависимости, которые позволили бы определить основные показатели. Ими являются: Нср — среднее количество лесоматериалов, ожидающих в накопителе буферного запаса выполнения операции оборудованием технологической линии; К1 и К2 —- соответственно коэффициенты работы и простоя оборудования, применяемого в технологических линиях ЛПП с рейдами приплава.

Показатели качества функционирования технологических линий каждой из пяти групп, которым соответствуют установленные модели систем обслуживания, определяют по формулам, вытекающим из положений исследования операций и теории массового обслуживания. Для производственных процессов, включенных в пятую группу, применим основные положения теории марковских цепей. Множество состояний рассматриваемой системы при ее функционировании определяется вероятностью Р для каждого из этих состояний. Для таких систем существует предельный, установившийся или стационарный, режим функционирования, который может быть выражен уравнением следующего вида:

ОО ОО pj

= А = (7)

п = 0 п=О г

Из формулы (7) определим параметр р:

Р=1-Ро. (8)

Здесь р — Х/ц — интенсивность загрузки оборудования, выполняющего какую-либо операцию по обслуживанию лесоматериалов.

Параметр р представляет собой долю полного времени с начала функционирования системы, в течение которого оборудование при выполнении операции не простаивало, или было занято. С учетом того, что р < 1, коэффициент работы оборудования

Кг = Р. (9)

Следовательно, коэффициент Кг простоя оборудования с учетом формулы (7) составит

1<2 = 1~Р. (Ю)

Среднее количество лесоматериалов, ожидающих обслуживания в накопителях буферного запаса технологических линий, определяется по формуле

Я = ¿(п - 1 )Рп

п=0

1

(П)

В лесоскладских процессах ЛПП, объединенных в четвертую группу, каждую операцию выполняет оборудование, количество которого N ^ 2. Для модели системы этой группы значения вероятностей Р„ для стационарного режима определяют при условии

ИтР„(г) = Рп

Л

0.

Если в накопит еле буферного запаса вместимости Я количество лесоматериалов, ожидающих обслуживания, больше количества оборудования N, выполняющего необходимую операцию, величину Ро определяют по формуле

Ра

'N—1 „ /V л-ГУ ,,

У р1 + Р! У (£.)* ^ п\ т ^ \н)

H—N

.п=0

-1

(12)

При условии Я = N, или отсутствии очереди лесоматериалов к выполняющему обслуживание оборудованию, формула (12) примет вид

Ш-1

2

Вероятность простоя системы и оборудования Ро для случая, когда Н не имеет ограничений и p/N < 1 (отношение общей загрузки обслуживающего оборудования к их количеству), определяют по зависимости

■JV-1

Е

„JV

+

^ п! (7У_1)!(Лг_р)

(14)

Если р < iV, то среднее число простаивающих механизмов равно 7V

А^п = J2(N - п)р" = N - Р-

(15)

п = 0

С учетом формулы (15), коэффициент простоя оборудования К-> для этой системы составит

Кг = (N- p)/N,

(16)

а коэффициент загрузки Кг, или число работающих механизмов, определяют по формуле

К, = Np/N,

(17)

где Ыр = N — N¡1 — среднее число механизмов, занятых выполнением операции по обработке лесоматериалов.

Среднее количество лесоматериалов Я, ожидающих обслуживания в накопителях буферного запаса, определяют по зависимости

Н= ¿2 (п-ЛГ)Рп = —

п=ЛГ + 1

JV+1

(ЛГ-1)!(АГ-р):

гРо

(18)

где Р0 — вероятность простоя оборудования системы, определяемая по формулам (12)—(14).

В лесоскладских процессах, объединенных в третью группу, сумму вероятностей Рг- всех возможных состояний системы определяют по формуле

Я+2 / ч п

= Е (-) = 1> (1д)

п-О

Р1

где р1 — интенсивности загрузки механизмов соответственно в первой и второй фазах технологической линии; Ро — вероятность того, что линия простаивает.

Из формулы (19) получены зависимости для определения коэффициентов работы /\1, А'з и простоя Кч, К а оборудования, соответствующих каждой фазе технологических линий в зависимости от вместимости Я накопителя буферных запасов.

Среднее количество лесоматериалов Я, ожидающих выполнения операции в накопителе буферных запасов неред механизмами каждой фазы технологической линии, определяют по формуле

(20)

где р ■— интенсивность загрузки оборудования, выполняющего операцию по обработке лесоматериалов в отдельной фазе технологической линии.

Компоновка оборудования в технологические линии, включенные во вторую группу, отличается от третьей группы только вместимостью накопителей буферного запаса перед оборудованием каждой фазы. Учитывая влияние этого фактора на функционирование всей технологической линии, они выделены в отдельную группу.

Формулы расчетов коэффициентов работы К1, А'з и простоя К2, Кл оборудования каждой фазы приведены в табл. -1 для случаев, когда Н = 0 и Я имеет определенное значение, а также для 5=1, где 5 = Р2/Р1.

Таблица 1

Формулы расчета показателей в технологических линиях лесоскладских процессов, включенных во вторую группу

Коэффициент Расчетные формулы при значениях

Я = 0 5 = 1 Я

Кг 1 Я + 1 5Я+1 - 1

5+1 Я + 2 5Я+2 - 1

к2 5 1 5я+1(5 -1)

5+1 Я+ 2 5Я+2 - 1

К3 5 Я + 1 5Я+2 - 5 •

5+1 Я + 2 , 5Я+2 - 1

к4 1 1 5-1

5+1 Я + 2 5Я+2 - 1

• На количественные и качественные показатели функциониро- • вания технологических линий первой группы существенное влияние оказывает распределение числа сортиментов к оборудованию каждой

фазы и их накопление перед оборудованием. На это влияют число параллельно установленных механизмов в каждой фазе линии и средние величины загрузки этих механизмов по времени.

Вероятность Р(п,) того, что в каждой фазе технологической линии находится п,- единиц лесоматериалов, составит

Р(тц) = Ь(щ)

Х>ы

|_п = 0

-1

(21)

С учетом этой формулы, определяется среднее количество лесоматериалов перед оборудованием каждой фазы технологической линии по зависимости

Н = Е"Ж"0

п = 0

Х>ы

Ы=о

(22)

Вероятность простоя оборудования одной из фаз линии Р(гц), когда механизмы других фаз технологической линии заняты обслу-• живанием, с учетом формул (21), (22), составит

Р(пг) - Е

п=О

£ нш)

.п-О

ПЕ^)

,1 = 1 п=0

-1

(23)

Вероятность простоя оборудования любой фазы составит

Р(щ)

ПЕ«

.¿=1 п=0

1+Ё&Ы

п — 0

и=о

-1 п

(24)

Среднее количество лесоматериалов Н, ожидающих обслуживания в накопителях буферного запаса перед механизмами каждой фазы, определяют по формуле

Я = Е ("< - Ъ)РЫ,

п =г+1

(25)

где Р(щ) определяется по формуле (21).

Пятый раздел посвящен изучению потоков лесоматериалов и продолжительностей циклов выполняемых операций; в разделе также приведены результаты экспериментальных исследований.

Изучение осуществлялось проведением специальных хропоме-тражных наблюдений интенсивности потоков и циклов обработки.

При решении практических задач методами исследований операций в лесной и других отраслях промышленности наиболее часто используют распределения Эрланга и Пуассона, поэтому рассмотрена возможность взаимной аппроксимации этих распределений.

Теоретические значения максимальной разности функций рассматриваемых распределений при А ^ 4 можно определить по зависимости

sup )D\ = 1

'А — 1

£

L«=o

А'е"

(А - 0,5)*е-(А-°'5)

+ 2-й ,ч

¿=0

(26)

При А —► оо значения sup |D| —+ 0. Это показывает, что при больших значениях А достигается практически абсолютная их взаимозаменяемость.

Принятое условие взаимной аппроксимации функций, когда к = А = l//i, на практике трудно достижимо. Поэтому дополнительно установлены нижняя и верхняя границы параметра к, когда при

Дп-

TTKIIIili nPHTTiT

равенстве ма.±ема,±йЧбских ожиданий М фу: ланга и Пуассона взаимно аппроксимируются. Результаты расчетов показаны на рис, 6.

к 30 20 10

У ✓ У

V £ \ 3

О 2 4 6 8 10 12 Л

Рис. 6. Границы значений параметров А, к при аппроксимации распределения Эрланга распределением Пуассона: 1 — верхняя граница; 2 — линия наилучшей аппроксимации; 3 — нижняя граница

Возможность взаимной аппроксимации рассмотренных распределений подтверждает обоснование выбора законов распределений, принятых для решения моделей СМО, соответствующих исследуемым процессам на предприятиях с рейдами приплава.

Результаты исследования потоков лесоматериалов в ле-соскладских процессах. Общее количество потоков лесоматериалов, поступающих с рейда приплава на выгрузку и к оборудованию технологических линий, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Объем экспериментальных данных и результаты аппроксимации фактических распределений потоков лесоматериалов распределением Пуассона

Соответствие Несоответствие Общее коли-

Наиме- теоретического теоретического чество рядов

нование распределения распределения потоков и лесо-

операции фактическому фактическому материалов

шт. % шт. % в них, шт.

Выгрузка 124 91,2 12 8,8 136

20380 88,5 2637 11,5 23017

Сортировка 56 96,5 2 3,5 58

25485 95,8 1104 4,2 26589

Окорка 60 92,3 5 7,7 65

11350 88,6 1465 11,4 12815

Разделка 64 90,1 7 9,9 71

9030 88,5 1172 11,5 10202

Итого 304 92,1 26 7,9 330

66245 91,2 6378 8,8 72623

Примечание. В числителе — количество рядов потока лесоматериалов, поступающих с рейда приплава на выгрузку, сортировку и технологические линии по обработке; в знаменателе — общее количество сортиментов в этих рядах.

Аппроксимация некоторых фактических распределений потоков лесоматериалов теоретическим распределением Пуассона приведена на рис. 7.

Результаты исследования циклов обработки лесоматериалов. Общий объем данных по количеству циклов выполняемых операций и количеству рядов приведен в табл. 3.

Параметры фактических распределений циклов операций по обработке лесоматериалов и их анализ позволили установить, что на значение параметра ¿о влияет только математическое ожидание М. Максимальное значение математического ожидания цикла разделки лесоматериалов на сортименты составило 49,3 и минимальное 15,3 в процентах единицы времени (минута), что соответствует 29,5 и 9,2 с, или от 2 до 7 штук долготья в минуту. Статистическая связь между to и М для циклов разделки лесоматериалов выражена зависимостью

¿о = 0,65МР + 0,49; (27)

для окорки лесоматериалов —

¿о = 0,56Мо + 1,79;

(28)

Р(п) 0,8 0,6 0,4 0,2

0,0 2 4 6 8 10 12 14 п,шт.

а)

Р(п) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

2 4 В 8 10 12 14 п,шт.

б)

Р(п) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

2 4 6 8 10 12 14 п,шт.

Рис. 7. Аппроксимация распределением Пуассона фактических потоков лесоматериалов, поступающих на: а — окорку; б — разделку; в — сортировку

для выгрузки лесоматериалов —

í0 =-0,71Mb- 0,97. (29)

Параметр по — минимальное количество сортиментов, поступающих на обслуживание, в смещенном экспоненциальном распределении также зависит от величины значений их математических ожиданий М. Получены уравнения для потоков сортиментов, поступающих на:

сортировку — Мт.с. = 1,08по + 3,40; разделку — Мт.р. = 0,92п0 + 1,34;

окорку — Мт. о. = 1,39п0 + 0,85.

Шестой раздел посвящен оптимизации лесоскладских процессов ЛПП с рейдами приплава и выбору критерия оценки эффективности технологических линий по обработке круглых лесоматериалов.

/

у II J / -' М, = 4,1 М„= 6,8 М,„=9,1 1 - фактические 2 - теоретические

Л

Таблица 3

Данные по количеству рядов и продолжительности циклов для каждой операции, результаты аппроксимации фактических и теоретических рядов распределений

Наиме- Соответствие Несоответствие Общее коли-

нование теоретического теоретического чество рядов

опера- распределения распределения и циклов

ции фактическому фактическому в них, шт.

шт. % шт. %

Разделка 61 85,9 10 14,1 71

8488 84,6 1541 15,4 10029

Окорка 44 5900 81,5 84,5 10 1078 18,5 15,5 54 6978

Выгрузка 61 2876 91,0 94,2 6 176 9,0 5,8 67 3052

Итого 166 86,5 26 13,5 192

17264 86,1 2795 13,9 20059

Примечание. В числителе — количество рядов циклов; в знаменателе — количество циклов в этих рядах.

При оценке эффективности функционирования производственных процессов с использованием методов исследования операций наиболее часто в качестве критерия эффективности принимают обобщенные показатели. К ним относят удельные приведенные затраты на единицу произведенной продукции.

Целевую функцию для технологических линий, состоящих из а последовательных операций и с количеством N оборудования для выполнения каждой из них, можно представить зависимостью

. а N

С=Т7ЕЕ(СЛ + С2«2 + СЗ№), (30)

¿ = 1 !=1

где V — объем готовой или промежуточной продукции, м3; С\, Со — затраты по каждому из N работающего С\ и простаивающего С2 оборудования в каждой фазе а технологической линии в единицу времени; ¿1, ¿2 — соответственно время работы и простоя оборудования в единицу времени (час, смена и др.); Сг — затраты на единицу вместимости накопителя буферного запаса Н и на технические средства транспортировки лесоматериалов в единицу времени; I — общее время работы технологической линии, I = ¿1 + <2-

При выполнении только одной операции одним механизмом, что соответствует технологическому процессу пятой группы, форму-

ла (30) примет вид

Юг (гх С2г2 С3Н\

В формуле (31) введем обозначения: = К\; ~ = ф; — = Ко;

г Су 2

^ = ^ = /?; = 7. Эта формула примет следующий вид: 1<1 Сх Аг

+ (32)

Принятые обозначения Л'у и А'2 являются коэффициентами использования и простоя оборудования соответственно. В формуле (32) обозначим

1 + + = а (33)

и получим

с = Ц^а = Яа. (34)

V

Величина = II в формуле (34) определяет минимальное

значение удельных затрат при работе оборудования без его простоев и учета затрат на накопители буферного запаса перед оборудованием (Я — 0), а коэффициент а показывает, на сколько увеличиваются минимальные затраты Ц с учетом простоя оборудования и применением накопителей буферного запаса вместимостью Я.

Значения коэффициента а ^ 1, но только при полной загрузке оборудования, когда К\ = 1, а А'г = 0, Я = 0; а — 1, так как ф/З — 0 и /?7 = 0.

Экономические параметры Сь С2, Сз устанавливают по фактическим значениям этих величин или определяют по соответствующим методикам. Параметры К\, Кг и Я определяются по соответствующим зависимостям, полученным для каждой из пяти выделенных групп технологических линий.

Группа 5. Характерным для технологических линий, выделенных в эту группу, является отсутствие взаимовлияния оборудования при выполнении соответствующих операций. С учетом значений параметров К1, Л'2, Я формула (31) примет вид

с=аг(1 + ^ + Тт4-). (35)

Если задержки в некоторых состояниях системы связаны с затратами Сг, С\ + Сз, С\ 4- 2Сз,.. ■, С\ + пСз, их можно выразить формулой

С(р) = (1 - Р)С2 + рСг + ~-рСз. (36)

Определим экстремум С(р) и получим оптимальное значение интенсивности обслуживания

Ро = 1 -

Сз

(37)

Сз — Ci + С2

На основе оптимального ро и заданного значения параметра обслуживания // величина интенсивности поступления сортиментов к обслуживающему оборудованию с учетом обозначений, принятых в формуле (31), равна

Л — ¡1 — ц

Р

Р-1 + Ф'

Группа 4. В технологических линиях этой группы операции выполняются оборудованием, количество которого N ^ 2.

Для оценки технологических процессов обработки лесоматериалов необходимо установить параметры и оценить их эффективность при различных значениях А, ц, N и Я.

На рис. 8 показано изменение показателей ¡р, у, а в зависимости от параметра р при гр = /3 = 1 для двух, трех и четырех механизмов. При оценке эффективности каждой конкретной компоновки оборудования в технологические линии окончательное значение устанавливают с учетом фактических экономических параметров ф и Р для данного предприятия.

С учетом формул (15)—(17), формула (32) примет вид

С =

Cih V

1 + ф

N \ pN+1

Ро

(38)

где Ро определяется по формуле (14).

Группа 3. В технологических линиях этой группы необходимо установить влияние вместимости накопителя на функционирование линии. Формула (32) для этих линий примет вид

С =

Ciii V

1 +

+

Clt-2 V

1 + ^2

SH+2 - 1 5-1

sh+з_ 5

+ Р2

SH+2 - 1 Яср(5я+3 - 1)

+ '

SH+3 - 5

(39)

¥>, 7. о 6

4 2

0 1 2 3 Р

Рис. 8. Зависимости показателей 7, а от параметра р в процессах четвертой группы: 1, 2, 5 — значения (р; 3, 4, 8 — значения а; 6, 7,9 — значения у соответственно для двух, трех и четырех механизмов

Группа 2. Для технологических линий этой группы в формуле (32) применяют расчетные формулы из табл. 1.

На рис. 9 приведены зависимости показателей К\ и Къ от параметра 5 и вместимости накопителей буферного запаса Н для линий этой группы.

К 0,8

0,6

0,4

0,2

0 1 2 3 4 5

Рис. 9. Зависимости показателей К\, К3 от параметра 5"и вместимости накопителя буферного запаса Н для линий второй группы: 1, 2, 3 — значения А'з и 4, 5, 6 — значения К г соответственно при Н — 9, Н = 2 и Я = 0

Группа 1 объединяет технологические линии с разветвленной структурной связью в каждой из фаз обслуживания, причем остановка какого-либо механизма не приводит к блокировке этой фазы или

всей линии. Функционирование линии обеспечивается параллельно установленным оборудованием в каждой фазе.

Для технологических линий первой группы формула (32) будет иметь вид

г, НС\ ¿3С3 . .

С= -рг-а1 + -уг-а3, (40)

где с*1, »2 — показатели, определяемые по формуле (33).

Для технологических линий этой группы на рис. 10 приведены зависимости показателя а от параметра 5 и числа механизмов N.

а

5

4

3

2

0 12 3 5

Рис. 10. Зависимости показателя а от параметра 5 и числа механизмов N в каждой фазе технологической линии первой группы: 1, 2, 3, 4 — значения а соответственно для 2, 3, 4, 5 механизмов в каждой фазе

Установлено, что с увеличением количества оборудования в каждой фазе технологической линии значение а уменьшается.

Оптимальное значение а достигается при Б = 1 независимо от числа механизмов в каждой фазе и при ф = /? = 1. С увеличением 5 значение а также увеличивается.

Общие результаты исследований технологических линий. Для оценки и выбора наиболее эффективной технологической линии, соответствующей каждой группе, выполнено сравнение основных показателей и принятого критерия оптимизации. В качестве примера рассмотрим технологическую линию, состоящую из двух фаз обслуживания. Компоновка этой линии выполнена с учетом особенностей каждой из пяти групп.

На рис. 11 приведены графики изменения показателя а для механизмов одной фазы технологической линии первой, четвертой и пятой групп в зависимости от числа механизмов N и их загрузки р.

ждого механизма и 9, 2 — а всех механизмов фазы соответственно прп р — 0,5 и р ~ 0,9; для ллл21и четвертой группы: 10, 12 — значения а каждого механизма и 5, 6 — а всех механизмов фазы соответственно при р = 0,9 и р = 0,5; 8,3 — значения а каждого механизма и всех механизмов фазы при р ~ 0,5 = const; для линии пятой группы: 11, 4 — значения а каждого механизма и всех механизмов фазы при р — 0,5; 1 — значения а всех механизмов фазы при р = 0,9

Установлено, что при равном числе механизмов в каждой фазе и одинаковой загрузке наименьшее значение а имеет двухфазная технологическая линия, соответствующая первой группе, по сравнению с аналогичными линиями четвертой и пятой групп. Для рассмотренных технологических линий на рис. 12 приведен график изменения значений а.

В двухфазных технологических линиях второй и третьей групп значения а возрастают при увеличении вместимости накопителя Н. При равных условиях значения а меньше в линиях третьей группы по сравнению со значениями а линий второй группы. График изменения значений а для компоновок оборудования, соответствующих этим линиям, приведен на рис. 13.

Из анализа результатов рассмотренных примеров следует, что на величину критерия С оценки эффективности технологических линий основное влияние оказывает показатель а. Значения этого показателя зависят от структурной схемы, способа компоновки оборудования в технологические линии, вместимости накопителей буферного запаса Н, количества применяемого оборудования N для выполнения соответствующих операций и загрузки р как отдельного меха-

О"

14

10

6

1 2 3 4 ^

Рис. 12. Зависимости показателя а от числа механизмов N для двухфазных технологических линий при р — 0,5: 1 — значения а для линий пятой группы; 2 — значения а для линий четвертой группы; 3 — значения а для линий первой группы

а 10 8 б 4 2

0 2 4 6 8 Я

Рис. 13. Зависимости показателя а от вместимости накопителя буферного запаса Я для технологических линий второй и третьей групп: 1 — значения а для линии второй группы; 2 — значения От = а-> для каждой фазы; 3 — значения а для линии третьей группы; 4 — значения »2 и 5 — «1 для второй и первой фазы

низма, так и всей технологической линии. Для выбора наиболее эффективных технологических линий необходимо учитывать влияние экономических коэффициентов ф, /3 и конкретные условия каждого предприятия.

1 2

У 3 ^

В седьмом разделе рассмотрены общие принципы статистического моделирования исследуемых процессов.

Для лесоскладских процессов получены необходимые расчетные формулы, которые позволяют определить основные показатели эффективности организации и функционирования систем каждой из пяти групп. Однако эти формулы, особенно для первой, второй и третьей групп, являются довольно сложными, поэтому при их практическом применении возникают определенные трудности. Кроме того, на некоторых предприятиях реальные компоновки механизмов в технологические линии представляют собой сложные системы, состоящие из нескольких (более двух) фаз обслуживания. Такие технологические линии могут содержать несколько параллельно установленных механизмов, выполняющих однотипные или различные операции в каждой фазе. Для этих систем затруднительно, а для некоторых и невозможно, выразить функциональные зависимости связей между их элементами и параметрами. Эти технологические линии можно представить как системы, состоящие из простых составляющих систем, взаимодействующих между собой определенным образом. Правила и законы функционирования таких систем меняются в зависимости от конкретных условий исследуемого процесса. Выбор оптимальных параметров для таких сложных технологических линий и экспериментальная проверка их эффективности в производственных условиях связаны с определенными трудностями.

При моделировании сложных производственных систем целесообразным является имитационная (численная) модель. Для систем, соответствующих технологическим линиям каждой выделенной группы, и сложных систем, состоящих из более простых, применена система моделирования СРБЗ. Программы модели разработаны для каждой системы. Матрицы планирования экспериментов с моделью включали б опытов для технологическим линий первой группы, 5 опытов для технологических линий второй и третьей группы, 13 опытов для технологических линий четвертой группы, 12 опытов для технологических линий пятой группы и 9 опытов для многофазных комбинированных технологических линий.

Основными выходными данными имитационных моделей являлись: рэ — коэффициент использования механизма технологической линии или интенсивность загрузки; ¿ср — среднее время обработки лесоматериалов; Нтах —• максимальное количество лесоматериалов в накопителе буферного запаса; Яср — среднее количество лесоматериалов в накопителе буферного запаса; Н3 — степень загрузки накопителя; ¿м — математическое ожидание времени пребывания лесоматериалов в системе; а1 — дисперсия времени пребывания лесоматериалов в системе.

Моделирование, которое реализовано на компьютере в виде программ, позволило получить выходные данные и выполнить их

анализ. Например, анализ статистик, относящихся к механизму технологической линии соответствующей однофазной однолинейной системе, и очереди лесоматериалов, а также таблиц частот для времени пребывания лесоматериалов в системе, полученные после прогона модели в данном эксперименте, показал следующие результаты: Нср = 0,86 (0,76); tм = 9,17 (9,30); о- = 9,26 (9,09). В скобках указаны значения параметров, вычисленные по теоретическим формулам.

Аналогичные результаты получены при моделировании технологических линий, соответствующих остальным системам.

Для сложных комбинированных систем лесоскладских процессов выполнено моделирование трехфазной технологической линии по обработке лесоматериалов. В первой и второй фазах линии операции выполняет один механизм, а третья фаза имеет четыре обслуживающих механизма.

Результаты сравнения теоретических и экспериментальных значений опытов показали следующие результаты: интенсивность загрузки механизма первой фазы имеет отклонения от 0,28 до 2,44 %, механизма второй фазы — от 0,88 до 5,70 %, суммарная интенсивность загрузки всех механизмов третьей фазы — от 0,22 до 3,12 % и каждого механизма третьей фазы — от 0,21 до 3,15 %.

Таким образом, отклонения теоретических и экспериментальных значений основных параметров технологических линий имеют допустимые пределы. Принятые теоретические положения для исследования технологических линий, применяемых в лесоскладских процессах предприятий с рейдами приплава, являются обоснованными и подтверждены результатами сравнения основных показателей.

Моделирование технологических линий позволило получить зависимости, по которым можно определить значения коэффициентов работы А'р и простоя Кп механизмов.

Графики зависимостей К, = /(у?), построенные по данным опытов моделирования, приведены на рис. 14, а их значения определяют по формулам

г - 1 Й- -Ар-р+!' л~<р+1'

где (р = К2/К1.

Формулы позволяют определить значения К{ как для отдельных механизмов, так и в технологических линиях с различной их компоновкой независимо от структурных схем лесоскладских процессов предприятий с рейдами приплава.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате исследований осуществлено теоретическое обобщение и решена научная проблема управления, качественной и количественной оценки параметров отдельных механизмов и технологических линий лесоскладских процессов лесопромышленных предприятий, получающих древесное сырье водным транспортом.

2. Составными элементами решения проблемы повышения эффективности лесоскладских процессов являлись:

— разработка структурных схем основных операций и классификация применяемого оборудования;

— обоснование моделей отдельно выполняемых операций и технологических линий с различными вариантами компоновки оборудования ыа основании анализа их работы на лесопромышленных предприятиях с рейдами приплава;

— объединение исследуемых процессов в пять основных групп в зависимости от их технических и технологических особенностей;

— установление соответствующих математических моделей для каждой выделенной группы с учетом их формализации;

— разработка теоретических методов расчета основных показателей функционирования автономных механизмов и технологических линий, соответствующих каждой из пяти выделенных групп;

— разработка методов синтеза однофазных и многофазных, од-ноканальных и многоканальных структур технологических линий по заданному критерию эффективности;

— разработка методов моделирования каждой из пяти групп технологических линий и сложных многофазных комбинированных систем, применяемых в лесоскладских процессах.

3. Разработаны структурные схемы.

— для различных видов поставки древесного сырья водным транспортом на ЛПП с рейдами приплава;

— основных операций технологических линий, применяемых в лесоскладских процессах.

Разработана классификация оборудования, используемого для выполнения операций:

— выгрузки древесины из воды, транспортировки и подачи ее на обработку или переработку;

— сортировки круглых лесоматериалов;

— окорки сортиментов;

— разделки длинномерных сортиментов и раскряжевки хлыстов;

— формирования пачек и пакетов круглых лесоматериалов.

Структурные и классификационные схемы позволили учесть

все многообразие возможных вариантов компоновок механизмов в технологические линии и обосновать выбор определенных типов и марок механизмов, применяемых для выполнения соответствующих лесоскладских операций, с учетом их признаков и свойств в зависимости от назначения каждого предприятия.

4. Впервые выполнен структурный анализ операций лесоскладских процессов различных по назначению ЛПП с рейдами приплава, что позволило представить эти процессы как сложные системы, состоящие из большого числа территориально разобщенных отдельных машин, механизмов, устройств, оборудования и технологических линий. Производительность лесоскладского комплекса формируется как результат взаимодействия предметов труда, отдельных машин и механизмов, технологических линий при реализации заданного процесса.

5. Принятая методика учитывает параметры потоков древесины и позволяет проводить синтез и системный анализ промежуточных и конечных результатов, рассчитывать загрузку и пропускную способность как отдельных механизмов, так и технологических линий, соответствующих сложным комбинированным системам.

6. Оценка качества технических и технологических особенностей лесоскладских процессов при проектировании и эксплуатации осуществляется по стоимостным критериям и основным параметрам с учетом конкретных условий каждого предприятия.

Для выполненных схем компоновок оборудования в технологические линии получены функциональные зависимости, позволяющие выполнять оценку их эффективности по критериям:

— минимизации суммарных затрат на функционирование технологических линий и отдельно работающих механизмов в лесосклад-ском производстве ЛПП;

— максимизации производительности технологических линий и отдельно работающих механизмов при лимитированном значении суммарных затрат;

— оптимизации вместимости буферных накопителей межоперационных запасов;

7. Анализ фактических данных потоков древесины, полученных для каждой выделенной группы лесоскладских процессов, показал наличие многократного их разделения. Это позволило аппроксимировать фактические потоки древесины распределением Пуассона.

8. Для исследуемых процессов установлено минимальное значение продолжительности циклов (¿о) операций выгрузки, окорки, разделки и сортировки древесины. С учетом этого, для аппроксимации фактических распределений циклов принято смещенное экспоненциальное распределение.

9. Экспериментальными исследованиями выполнена проверка гипотез о законах распределений потоков древесины и продолжительности циклов выполняемых операций. Определены фактические параметры потоков сырья и циклов для всех основных операций, применяемых в лесоскладских процессах предприятий с рейдами приплава.

10. В основу оценки эффективности существующих лесоскладских производств, а также их синтеза при проектировании и реконструкции положены принципы и методы исследования операций с учетом технического совершенствования отдельных участков, составляющих сложные комбинированные системы, и совместимости их эксплуатации при реализации заданного технологического процесса.

11. Выполненное имитационное моделирование исследуемых процессов позволило:

— определить основные параметры для каждой группы технологических линий и сравнить их значение с показателями, рассчитанными аналитическими методами;

— подтвердить теоретические зависимости результатами имитационного моделирования;

— оценить различные варианты структурных схем и компоновок оборудования и механизмов в технологические линии независимо от количества фаз обслуживания.

12. Значения суммарных затрат в двухфазных технологических линиях с двумя обслуживающими механизмами в каждой фазе и компоновкой их согласно технологическим линиям первой группы увеличиваются в 1,1 раза; четвертой группы — в 1,38 раза и пятой группы — в 1,8 раза по сравнению со значениями затрат технологической линии третьей группы с вместимостью накопителя Я = 8 единиц сортиментов.

При увеличении числа механизмов N в каждой фазе технологических линий первой, четвертой и пятой групп и вместимости накопителей буферного запаса Н в технологических линиях второй и третьей групп значения затрат увеличиваются. Наименьшие значения затрат имеют линии первой и третьей групп, но значения затрат линий первой группы с N = 4 в каждой фазе в 1,45 раза больше значений суммарных затрат линий третьей группы с Н — 8.

13. Практическое внедрение результатов исследований на лесоперевалочных и лесоперерабатывающих предприятиях подтвердили их эффективность при оптимизации производственных процессов с различными вариантами структурных схем и компоновок оборудования в технологические линии, формирование которых является основным направлением технической реконструкции и совершенствования лесоскладских процессов лесопромышленных предприятиях с рейдами приплава.

Основные результаты изложены в следующих работах:

1. Камусин A.A. К вопросу оптимальной компоновки оборудования в технологических потоках лесоперевалочных предприятий // Рефераты докладов на научно-технической конференции МЛТИ. — М.: МЛТИ, 1971. — С. 43-44.

2. Камусин A.A. Сбрасыватель штучных грузов. A.C. № 334141. — М., 1972. — 3 с.

3. Камусин A.A. Определение вместимости буферного магазина. // Тезисы докладов на II Научно-технической конференции по лесосплаву. ЦНИИ лесосплава. — Л., 1972. —С. 42-43.

4. Камусин A.A. Применение методов теории массового обслуживания при исследовании технологических процессов переработки круглых лесоматериалов // Тезисы докладов IV научно-технической конференции. ЦНИИМЭ. — Химки, 1973. — С. 62-64.

5. Камусин A.A. О вероятностном распределении входящих потоков бревен в поточных линиях // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. — М.: МЛТИ, 1974. — Вып. 53. — С. 146—150.

6. Камусин A.A. К вопросу оптимизации процесса переработки руддолготья на рудстойку на лесоперевалочных предприятиях // Межвузовский сб. науч. тр. — Вып. 2, Раздел II. — Красноярск, 1974. — С. 20-27.

7. Камусин A.A., Рогулин В.Г. Результаты статистического исследования входящих потоков бревен и программ раскроя руддолготья // Механизация лесоскладских и лесоперевалочных работ на лесосплаве: Сб. научн. тр. ЦНИИ лесосплава. — М.: Лесн. пром-сть, 1974. — С. 111-115.

8. Камусин A.A., Лебедев Н.И., Пименов А.Н. Пути повышения эффективности лесоперевалочных работ // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. — М.: МЛТИ, 1974. — Вып. 53. — С. 37-43.

9. Камусин A.A., Лебедев Н.И., Пименов А.Н., Рогулин В.Г. Пути повышения эффективности лесоперевалочного оборудования. Реф. // Технология машиностроения, 1976. — Св. том № 2, реф. 2Д-254. — 27 с.

10. Камусин A.A. Эффективность поточных линий по вторичной разделке круглых лесоматериалов на лесоперевалочных предприятиях // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. —М.: МЛТИ, 1977.

— Вып. 98. — С. 44-50.

11. Камусин A.A. О выборе оптимальных компоновок оборудования при вторичной переработке круглых лесоматериалов на ЛПП // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. — М.: МЛТИ, 1978. — Вып. 104. — С. 12-15.

12. Камусин A.A. Оценка эффективности поточных линий по разделке длинномерных лесоматериалов методом коэффициентов // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. — М.: МЛТИ, 1980. — Вып. 126.

— С. 58-61.

13. Камусин A.A. Оптимизация технологических процессов переработки круглых лесоматериалов на лесоперевалочных предприятиях: Автореф. дис. канд. техн. наук. — М.: МЛТИ, 1982. — 18 с.

14. Камусин A.A. К выбору параметров и конструкций пнев-моподплава Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. — М.: МЛТИ, 1984.

— Вып. 157. — С. 59-62.

15. Камусин A.A. Оптимизация состава оборудования поточных линий лесоперевалочных комбинатов // Тезисы докладов на IV Всесоюзной НТК МЛТИ. — М.: 1984. — С. 74-75.

16. Камусин A.A. Механизация береговой сплотки леса. Учебное пособие. — М.: МЛТИ, 1985. — 55 с.

17. Камусин A.A., Комяков А.Н., Тесис М.А. Оценка количественного и качественного состава затонувшей древесины на реках Северо-Западной части СССР // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т.

— М.: МЛТИ, 1990. — Вып. 226. — С. 50-56.

18. Карпачев С.П., Камусин A.A. Оценка количества затонувшей древесины на р. Ледь // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. — М.: МЛТИ, 1992. — Вып. 254. — С. 63-67.

19. Камусин A.A., Шевелев И.Л. Методические указания по разработке технологического процесса берегового склада. — М.: МЛТИ, 1992. — 20 с.

20. Камусин A.A. Техника и технология береговой сплотки леса. Учебное пособие. — М.: МГУЛ, 1994. — 50 с.

21. Камусин A.A., Карпачев С.П. Экологическая и экономическая оценка затонувшей древесины // Лесн. пром-сть. — 1994. — № 3. — С. 15-16

22. Камусин A.A., Карпачев С.П. Количественная оценка затонувшей древесины и экологического состояния рек // Проблемы ресурсосберегающих и экологически чистых технологий на предприятия лесного комплекса и подготовка лесоинженерных кадров. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. — Воронеж: ВГЛТА, 1995. — С. 17-22.

23. Иванов С.М., Камусин A.A., Пименов А.Н. [и др.]. Сплав лиственной древесины без хвойного подплава // Лесн. пром-сть. —■

1979. — № 3. — С. 25-26.

24. Иванов С.М., Камусин A.A., Липман Д.Н. [и др.]. Способ формирования лесосплавного пучка. A.C. № 765167. Бюллетень № 35. — М.: 1980. — 3 с.

25. Иванов С.М., Камусин A.A., Пименов А.Н., Тесис М.А. Новый способ сплава древесины с малым запасом плавучести // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. — М.: МЛТИ, 1981. — Вып. 118. — С.139-145.

26. Иванов С.М., Камусин A.A., Пименов А.Н. Использование воздушного подплава при сплаве лесоматериалов // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. — М.: МЛТИ, 1981. — Вып. 133. — С. 41-44.

27. Иванов С.М., Камусин A.A., Пименов А.Н. [и др.]. Способ формирования лесосплавного пуска. A.C. № 1009953. — М.: 1983. — 3 с.

28. Иванов С.М., Пименов А.Н.. Камусин A.A. [и др.]. Способ формирования лесосплавного пучка. А.С.№ 1044575. —М.: 1983. — 3 с.

29. Иванов С.М., Пименов А.Н., Камусин A.A. [и др.]. Способ формирования лесосплавного пучка. A.C. № 1039845. — М.: 1983.

— 3 с.

30. Иванов С.М., Пименов А.Н., Камусин A.A. [и др.]. Способ формирования лесосплавного пучка. A.C. № 1041473. —М.: 1983. — 3 с.

31. Лебедев Н.И., Рогулин В.Г., Камусин A.A. Повысить эффективность переработки рудцолготья // Лесн. пром-сть, 1974. — № 7. — С. 22-23.

32. Пименов А.Н., Рогулин В.Г., Шулаков Г.Г., Камусин A.A. Оптимизация процессов водного лесотранспорта: Учебное пособие.

— М.: МЛТИ, 1978. — 95 с.

33. Пименов А.Н., Иванов С.М., Тесис М.А., Камусин A.A. Результаты внедрения сплава лиственной древесины с воздушным подплавом // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. •— М.: МЛТИ,

1980. — Вып. 126. — С. 92-96.

34. Пименов А.Н., Рогулин В.Г., Камусин A.A. Оптимизация процессов водного лесотранспорта: Учебное пособие. — М.: МЛТИ, 1983. — 119 с.

35. Пименов А.Н., Иванов С.М., Камусин A.A. Об условиях применения искусственного подплава при сплаве лиственной древесины // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. — М.: МЛТИ, 1984. — Вып. 157. — С. 51-54.

36. Рогулин В.Г., Камусин A.A. О выборе типа распределения продолжительности циклов разделки круглых лесоматериалов в условиях ЛПП // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. — М.: МЛТИ, 1980. — Вып. 126. — С. 61-63.

37. Камусин A.A., Гераськин Ю.И. Техническое средство для преодоления сезонности на водном транспорте // Теория, проектирование и методы расчета лесных и деревоперерабатывающих машин: Всесоюзная НТК. — М.: МГУЛ, 1997. — С. 109-110

38. Камусин A.A., Карпачев С.П. О качестве технологической щепы при ее сплаве в мягких водопроницаемых контейнерах // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т. — Вып. 172. — М.: МГУЛ, 1985. — С. 4.

39. Камусин A.A., Карпачев С.П. Качественная и количественная оценка затонувшей древесины на реках лесосплавных бассейнов // Второй межд. симпозиум "Строение, свойство и качество древесины". — М.: МГУЛ, 1996. — С. 97-98.