Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Васильев Г.Л. 1 Чамеев В.В. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Проведен анализ работы лесопильной рамы с помощью комплекс-программы «ЦЕХ». Комплекс-программа «ЦЕХ» является имитационной моделью технологического процесса лесопиления. Приведены основные способы синхронизации работы головного станка ЛОЦ с предшествующими операциями: назначение оптимальной емкости питателя пачек бревен при жесткой связи; назначение оптимальной длины питателя; назначение оптимальной емкости питателей. Исследованы влияние емкости питателя перед цехом на загрузку лесопильной рамы и влияние длины питателя перед лесопильной рамой на коэффициент ее загрузки. Получены расчеты емкостей межоперационных запасов круглых лесоматериалов для синхронизации работы лесопильной рамы с предшествующими операциями при режиме работы вразвал. Полученные зависимости коэффициента загрузки лесопильной рамы можно применять для оптимизации при проектировании и работе лесопильных цехов.

Статья в формате PDF

348 KB

имитационная модель

комплекс-программа «ЦЕХ»

лесопиление

лесопильная рама

1. Казаков Н.В. Автоматизированные системы инженерии знаний в лесопользовании / Н.В. Казаков, П.Б. Рябухин, М.А. Садетдинов // Вестник ТОГУ, 2013. – № 2. – С. 177 – 184.

2. Кривоногова А.Н. Имитационное моделирование размерно-качественных параметров круглых лесоматериалов и выхода пилопродукции в лесоперерабатывающих цехах лесопромышленного предприятия / А.Н. Кривоногова, В.В. Чамеев, Б.Е. Меньшиков // Т. 1 Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сборник статей студентов и молодых ученых / СибГТУ. — Красноярск, 2009. – С. 244 – 248. – 50 экз. — ISBN 5 – 8173 – 0300 – 4.

3. Патент № 2233073 РФ. Лесной комбайн [Текст]// С.Б. Якимович, А.К. Редькин, А.Н. Зорин– Заявлено 02.07.02: Опубликовано 27.07.04 / Бюл. Открытия. Изобретения. — № 21.

4. Рябухин П.Б. Математическое моделирование в решении задач предприятий лесопромышленного комплекса/ П.Б. Рябухин, А.П. Козорез, А.В. Абузов // Вестник КрасГЛУ, 2012. – №5. – С. 76–83.

5. Чамеев В.В. Математическая модель и алгоритм по определению сортового состава круглых лесоматериалов и выхода готовой продукции / В.В. Чамеев, Г.Л. Васильев // Вестник МГУЛ – Лесной вестник, 2014. – № 2-S. – С. 156–162.

6. Якимович С.Б. Управление схемами работы машин в обрабатывающе-транспортных лесозаготовительных системах / С.Б. Якимович, М.А. Тетерина // Вестник МГУЛ – Лесной вестник, 2010. – № 5. – С. 78–81.

Сложность и многообразие процессов лесопользования предопределяет необходимость применения универсальных комбинированных методов, которые невозможно эффективно реализовывать без специализированных автоматизированных систем [1]. При моделировании технологических процессов одним из основополагающих и ключевых моментов является этап формализации поставленной задачи в виде одного из экономических показателей эффективности процесса и выражения выбранных показателей в виде конкретных математических зависимостей и отношений (функций, уравнений, неравенств и пр.) [4]. Имитационное моделирование процесса лесопиления является эффективным способом принятия решения ввиду ряда факторов, таких как невозможность построения аналитической модели (наличие в системе нелинейности и стохастических переменных); необходимость имитировать поведение системы во времени; высокая стоимость или невозможность экспериментировать на реальном объекте.

В настоящее время ведется активная разработка станков и механизмов лесопиления, направленных на повышение производительности и качества выпиливаемых пиломатериалов, а также на снижение металлоемкости. Ярким представителем данных разработок является лесной комбайн, уменьшающий также затраты на транспортировку древесины [3]. Минусом подобных механизмов является сложность конструкции, поэтому значительный удельный вес в лесопилении благодаря простой конструкции и высокой производительности по-прежнему занимают лесопильные рамы.

Цель и методы исследования

Повышение эффективности работы рамных потоков можно достичь за счет назначения оптимальных размеров межоперационных запасов, позволяющих синхронизировать работу станков и механизмов. В данной работе приведены результаты исследований функционирования наиболее распространенной в лесной отрасли лесопильной рамы модели Р63-4Б для различных производственных условий. Постава выбраны «тяжелые», т.е. схема раскроя бревен принята вразвал.

Стохастичность входного потока лесоматериалов, поступающих в пачках со склада сырья в лесообрабатывающий цех (ЛОЦ) при помощи подъемно-транспортного механизма, требует межоперационного запаса пачек бревен перед цехом, а стохастичность поступления бревен по подающему транспортеру — межоперационного запаса перед головным станком. Условия стохастической неопределенности входных параметров и способы адаптации к ним были рассмотрены для заготовительных систем в статье [6] с применением кластеризации. В данной работе для решения данных условий также проводится кластеризация входного потока лесоматериалов по диаметрам. Недостаточная емкость питателей снижает загрузку головного станка сырьем и, следовательно, производительность цеха как по сырью, так и по готовой продукции. В этой связи целесообразно выявить и оценить зависимость коэффициента загрузки головного станка сырьем от емкости накопителей. Расчеты проведены для средних условий работы лесопильных цехов Среднего Урала. Исследовался технологический процесс потока: подача пачек бревен с объемами 7,4 м3 со склада сырья в цех производится подъемно-транспортным механизмом (ПТМ) со средней длительностью цикла 480 с. С питателя пачек бревен сырье поштучно подается продольным транспортером Б-22Е-01 со скоростью 0,8 м/с на питатель одноэтажной лесопильной рамы Р63-4Б. Параметры длительности цикла деления круглых лесоматериалов для станка Р63-4Б по заданным поставам определены по компонент-программе (КП) «СТАНОК» комплекс-программы (КП) «ЦЕХ». Методология решения технологических задач с использованием имитационного моделирования, в частности на базе КП «ЦЕХ», изложена в работах [2, 5].

Возможны следующие основные способы синхронизации работы головного станка ЛОЦ с предшествующими операциями.

1. Назначение оптимальной емкости питателя пачек бревен ЕПБП при «жестокой связи» головного станка ГС1 с подающим транспортером (практически длина питателя ГС1 LГС1П=dmax, где dmax – максимальный диаметр бревна).

2. Назначение оптимальной длины питателя бревен головного станка LГС1П при минимальной емкости питателя пачек бревен.

3. Назначение оптимальных емкостей питателей ЕПБП и LГС1П. При недостижении должного коэффициента загрузки головного станка сырьем КГС1З перечисленными способами параметры длительности цикла подъемно-транспортного механизма tПТМЦ на подаче пачек бревен к цеху уменьшают.

Влияние емкости питателя ЕП^БП перед цехом на загрузку лесопильной рамы

Задача решалась для наиболее тяжелых условий работы ГС – распиловка несортированного пиловочного сырья вразвал на необрезные пиломатериалы. Результаты имитационного моделирования по КП «ПОТОК» КП «ЦЕХ» заданной схемы технологического процесса в диапазоне средних толщин круглых лесоматериалов d_СР=16…30 см приведены в таблице 1.

Таблица 1

Коэффициенты загрузки КГС1З лесопильной рамы Р63-4Б сырьем при распиловке несортированных бревен вразвал в зависимости от ЕПБП и d_СР

Статистическая обработка данных таблицы 1 позволила построить зависимость К^ГС1_З=f(d_СР) для Р63-4Б.

К^ГС1_З(1 п;d_max)=0,8304d_СР/( d_СР-1,3115), при минимальном значении Е^ПБ_П=1 п=7,4 м³.

Анализ функции показывает, что К^ГС1_З с увеличением среднего диаметра сырья d_СР с 16 до 30 см уменьшается с 0,905 до 0,868 и со всех позиций является недостаточным. Увеличение емкости питателя Е^ПБ_П значительно повышает коэффициент загрузки лесопильной рамы сырьем до приемлемых значений. Если принять, что коэффициент загрузки лесопильной рамы должен составлять не менее 0,95, то при распиловке сырья с d_СР=16 см емкость питателя Е^ПБ_П должна быть рассчитана на две пачки бревен, а при 18≤d_СР≤24, см - на три пачки. Емкость Е^ПБ_П, равная четырем пачкам, удовлетворяет весь диапазон средних диаметров сырья d_СР=16-30 см.

Рост коэффициента загрузки ∆К^ГС1_З лесопильной рамы сырьем за счет увеличения емкости питателя Е^ПБ_П пачек бревен составляет:

∆К^ГС1_З=К^ГС1_З(N_П;d_max)- К^ГС1_З(1;d_max).

Для N=2 п он колеблется от 0,048 до 0,057 в зависимости от d_СР; для N=3 п рост составляет от 0,065 до 0,075, а при N=4 К^ГС1_З=0,97 для d_СР=16 см, а при d_СР=30 см К^ГС1_З=0,959. Для размещения требуемого объема пачек бревен на питателе Е^ПБ_П созданы различные механизмы. Так, у питателя типа РБ-100 и ЛТ-80Б рабочий объем позволяет разместить до 10 м³ бревен. Если требуется питатель повышенной емкости (на 2-3 пачки), то модели ЛТ-97А рабочая длина для размещения пачек бревен составляет 6000 мм. На питателе КСП-10 размещается до 30 м³ бревен.

Влияние длины питателя перед лесопильной рамой на коэффициент ее загрузки

Выше было показано, что увеличение только емкости питателя Е^ПБ_П не всегда достигает требуемого К^ГС1_З. Значительно уменьшить неравномерности от выполнения предшествующих операций на коэффициент загрузки сырьем головного станка возможно только путем оптимального назначения емкостей питателей Е^ПБ_П и L^ГС1_П. При этом, если Е^ПБ_П окажется недостаточной, питатель L^ГС1_П принимает на себя часть функций питателя Е^ПБ_П, т.е. недостаточная емкость питателя Е^ПБ_П компенсируется излишней емкостью питателя головного станка ГС1 L^ГС1_П. Ниже, в таблице 2 изложены результаты исследований по определению величины К^ГС1_З в зависимости от величины L^ГС1_П при фиксированной величине Е^ПБ_П=1 п=7,4 м³ в диапазоне средних значений диаметров d_СР=16-30 см с шагом 2 см. Анализ результатов имитационного моделирования распиловки несортированных круглых лесоматериалов на необрезные пиломатериалы, проведенной по КП «ПОТОК», показывает (рис. 1а), что в функции К^ГС1_З=f(L^ГС1_П) в общем случае можно выделить три зоны увеличения коэффициента загрузки станка. В первой зоне с незначительным увеличением L_П наблюдается резкий рост К^ГС1_З. Третья зона является противоположностью первой. Рост L^ГС1_П сопровождается незначительным увеличением К^ГС1_З, т.е. коэффициент загрузки станка сырьем стабилизируется и несущественно зависит от L^ГС1_П. Вторая зона является переходной. В этой связи появляется возможность выбора оптимального значения L^ГС1_П на стыке второй и третьей зон, которое можно назвать стабилизационным (ст). В случае отсутствия зоны стабилизации или неприемлемости найденного значения L^ГС1_ПСТ целесообразно применить принцип «разумной достаточности» в выборе L^ГС1_П при К^ГС1_З=0,95 или 0,975.

Анализ значений К^ГС1_З, проведенный для средних диаметров d_СР (табл. 2, рис. 1 б), позволил выявить изменение L^ГС1_ПСТ от d_СР, которое можно приближенно выразить уравнением: L^ГС1_ПСТ=185,1923+5,6731d_СР, при этом коэффициент загрузки лесопильной рамы Р63-4Б сырьем составляет соответственно К^ГС1_ЗСТ=0,9998-0,0004392d_СР.

Графическое изображение полученных уравнений L^ГС1_ПСТ=f(d_СР) и К^ГС1_ЗСТ=f(d_СТ) представлено на рисунке 1 а, б. Коэффициенты загрузки К^ГС1_ЗСТ для всех d_СР достаточно высоки (от 0,993 при d_СР=16 см до 0,987 при d_СР=30 см), однако L^ГС1_ПСТ также имеют значения (от 275 см для d_СР=16 см до 355 см для d_СР=30 см). Установка питателей с такими значениями L^ГС1_ПСТ возможна не во всех случаях. Ограничив К^ГС1_З определенным значением, достаточным, можно значение L^ГС1_П свести до приемлемой величины.

Сняв значение L^ГС1_П из графиков К^ГС1_З=f(L^ГС1_П) (на рис. 1 б в качестве примера представлены зависимости для d_СР=16, 20, 24, 28 см) при принятых значениях К^ГС1_З, аппроксимировав их, получим приближенные уравнения:

L^ГС1_П при К^ГС1_З=0,975=6,9238d_СР+17,1358;

L^ГС1_П при К^ГС1_З=0,95=5d_СР-5.

Таблица 2

Коэффициенты загрузки К^ГС1_З лесопильной рамы Р63-4Б при распиловке несортированного сырья вразвал в зависимости от d_СР и L^ГС1_П при Е^ПБ_П=1 п=7,4 м³

Рис.1. Графики зависимостей коэффициента загрузки К^ГС1_З лесопильной рамы Р63-4Б при распиловке несортированного сырья вразвал от d_СР и L^ГС1_П, при Е^ПБ_П=1; Е^ПБп=7,4 м³

Анализ этих уравнений показывает, что при несущественном снижении коэффициента загрузки головного станка до 0,975 длина его питателя снижается почти вдвое (128 см для d_СР= 16 см и 225 см для d_СР= 30 см). По сравнению с технологической схемой, когда головной станок с продольным транспортером имеет «жесткую связь», установка питателя существенно повышает коэффициент загрузки головного станка. Для оценки принят показатель ∆К^ГС1_З, вычисляемый по формуле:

∆К^ГС1_З=К^ГС1_З - К^ГС1_З(1п;d_max).

Максимальный прирост коэффициента загрузки головного станка ∆К^ГС1_З за счет введения «гибкой связи» возможен при стабилизационных значениях К^ГС1_ЗСТ

∆К^ГС1_ЗСТ= -0,0001101d²_ср+0,007172d_ср+2,1076

При принятом К^ГС1_З=0,975 прирост будет несколько ниже

∆К^ГС1_З0,975= -0,0001205d²_ср+0,008110d_ср-0,02836

Соответственно при

К^ГС1_З=0,95 ∆К^ГС1_З0,95=-0,0001205d²_ср+0,008110d_ср-0,05336

Выводы

1. Коэффициент загрузки головного станка зависит от многих факторов, в первую очередь от длины питателя L^ГС1_П перед ним.

2. При выборе конкретной длины L^ГС1_П для головного станка нужно исходить из наиболее «тяжелых» условий функционирования головного станка. При распиловке сырья вразвал это несортированное сырье.

3. Окончательный выбор длины питателя перед головным станком целесообразно сделать после исследования работы ГС с брусовкой.

Рецензенты:

Рябухин П.Б., д.т.н., профессор, декан факультета природопользования и экологии ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет», г. Хабаровск;

Бутко Г.П., д.э.н., профессор, заведующая кафедрой финансов, ДО и кредита АНОО ВО «Уральский Финансово-Юридический институт», г. Екатеринбург.

Библиографическая ссылка