Раскрой бревен в гибких технологиях лесопиления

Актуальность темы

.

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

— увеличение производительности процессов распиловки брёвен;

— повышение выхода пиломатериалов из сырья;

— улучшение качества пиломатериалов;

— снижение себестоимости пилопродукции.

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

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

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

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

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

Цель и задачи исследований.

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

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

В диссертации согласно поставленной цели решались следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Методы исследований.

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

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

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

Научная новизна работы.

Нижеуказанные пункты характеризуют научную новизну диссертационной работы.

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

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

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

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

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

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

Практическая значимость работы.

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

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

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

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

Аспекты работы, выносимые на защиту.

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

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

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

— результаты моделирования процессов раскроя, сортирования и классифицирования брёвен;

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

Реализация результатов работы.

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

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

Материалы работы реализованы в учебном процессе кафедры технологии лесопиления и деревообработки для дипломного проектирования при подготовке инженеров-технологов по специальности 250 403 (см. Акт об использовании материалов диссертационной работы Шако О. И. в учебном процессе, приведённый в Приложении). Они также использованы при выполнении научно-исследовательской работы по госбюджетной тематике МГУЛ.

Апробация работы.

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

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

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Личный вклад диссертанта в решение поставленных задач.

Лично мною выполнена следующая работа.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Структура и объём работы.

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

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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