Совершенствование теории, методов и моделей интенсификации лесосечных работ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование теории, методов и моделей интенсификации лесосечных работ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Лесозаготовки в нашей стране выполняются в различных природно-производственных условиях предприятиями с разной формой собственности. В зависимости от производственных условий и применяемого оборудования технологический процесс может выполняться с заготовкой и вывозкой хлыстов, сортиментов, пиломатериалов и щепы, а на территориях лесосек с радиоактивным загрязнением - окоренных сортиментов или пиломатериалов. Для осуществления перечисленных технологических процессов разрабатываются и выпускаются различные машины и оборудование, имеющие одно - и многофункциональное назначение.

Полное использование производственных возможностей машин в значительной степени обуславливается соответствием их конструктивных особенностей и параметров организации работы, конкретными производственными условиями. Это соответствие может быть достигнуто в результате выполненных технологических расчетов при конкретном учете имеющегося парка и численности лесосечных машин, объемов межоперационных запасов древесины, режимов их создания, пополнения, потребления и выработки, обеспечивающих интенсификацию лесосечных работ и снижение отрицательного воздействия машин на лесные экосистемы, а также технико-экономических показателей комплектов машин.

Комплект лесосечных машин представляет собой технологическую систему, находящуюся под воздействием окружающей среды и под действием соответствующих нормативным условиям рабочих процессов, протекающих в оборудовании. В процессе эксплуатации такая система неизбежно теряет свое начальное качество, переходя в неработоспособное состояние, при котором значение хотя бы одного параметра качества изготавливаемой продукции, производительности, стоимости затрат не соответствует требованиям, установленным в нормативно-технологической документации. Восстановить исходное состояние возможно с помощью различных управляемых воздействий. Повысить надежность работы технологической системы лесосечных работ можно путем рациональной периодичности и объема технического обслуживания и ремонта машин и оборудования, а также назначения обоснованных режимов функционирования машин (обоснованных объемов запасов и режимов их создания, пополнения, потребления и выработки). Режимы функционирования машин должны обеспечивать требуемые сроки, качество и объемы выполняемых работ. При этом производительность комплекта машин и оборудования, их численность должны устанавливаться (подбираться) по максимальной выработке ведущей машины при минимальных удельных затратах, снижении продолжительности разработки лесосеки и техногенного воздействия машин на лесные экосистемы, а при работе в районах с радиоактивным загрязнением с учетом исключения возможности облучения рабочих. Необходимость сочетания отмеченных способов повышения надежности комплектов машин вызвана тем, что при любых, в том числе и обоснованных режимах, сроки и качество работ меняются в зависимости от изменения технического состояния машин.

Отсутствие до настоящего времени надежной методики расчета режимов работы лесосечных машин, отвечающей этим требованиям, обуславливает актуальность исследований в этом направлении. Решение данной проблемы позволяет получить систему показателей для выбора обоснованных проектных решений по оперативному планированию и управлению режимами работы лесосечных машин адекватных реальным условиям эксплуатации. Наличие обоснованных режимов работы машин для конкретных природно-производственных условий позволяет организовать эффективную работу комплектов машин. Такая организация работ дает возможность обеспечить максимальный объем выработки комплекта машин, снизить сроки разработки лесосек и техногенное воздействие машин на лесные экосистемы (ЛЭС), а также себестоимость, металлоемкость, энергоемкость, а при разработке лесосек на территориях с радиоактивным загрязнением позволяет исключить возможность облучения рабочих.

Диссертационная работа выполнена в рамках научно-технической проблемы «Разработка и внедрение автоматизированных систем оперативного планирования и управления лесозаготовительными предприятиями» по темам: «Разработка и внедрение комплекса расчетно-оптимизационных задач оперативного управления лесосечными работами»; «Оптимальное управление лесозаготовительным процессом», регистрационный номер 01830075400; «Разработка автоматизированной системы оперативного планирования лесосечных работ», регистрационный номер 01860011632; «Разработка теоретических основ технолого-экологической оценки лесных машин», регистрационный номер 01.2.00703909.

Цель и задачи исследований. Цель работы заключается в обеспечении повышения эффективности (технологической, технической, экономической, экологической и социальной) функционирования комплектов лесосечных машин в изменяющихся природно-производственных условиях, на основе совершенствования теории и практики выполнения лесосечных работ, разработки методического сопровождения использования выработанных рекомендаций.

Для достижения поставленной цели осуществлялось решение следующих задач:

- уточнение основных свойств и характерных особенностей осуществления лесозаготовительного производства в современных условиях;

- проведение анализа и разработка технологии и организации верхних складов, обеспечивающих получение на лесосеке древесины в виде окоренных сортиментов или пиломатериалов при освоении лесосек с различным уровнем радиоактивного загрязнения;

- изучение транспортно-технологического процесса лесосечных работ и уточнение основных технологических схем компоновки лесосечных машин, характера их взаимодействия на смежных операциях, назначения, расположения, особенностей создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных запасов;

- совершенствование математических моделей, с целью определения не только гарантийных объемов запасов, но и режимов их создания, пополнения, потребления и выработки с учетом максимальной выработки комплекта машин при минимума денежных затрат;

- определение влияния запасов на работоспособность технологических систем лесосечных работ;

- разработки математических моделей для определения объемов снижения техногенного воздействия лесосечных машин на ЛЭС;

- совершенствование и внедрение имитационных моделей для определения обоснованного состава, режимов работы, организации и управления комплектом машин в конкретных природно-производственных условиях, как с учетом, так и без учета техногенного воздействия машин на ЛЭС, обеспечивающих повышение эффективности, отличающихся тем, что позволяют рассчитать объемы запасов и режимы их создания, пополнения, потребления и выработки для различных комплектов машин на весь период разработки лесосеки при заданных объемах работ; рекомендаций и методического сопровождения по их использованию на производстве и в учебном процессе;

- разработки имитационных моделей перераспределения дополнительных машин с лесосеки на лесосеку, отличающиеся тем, что дают возможность определить обоснованные режимы, обеспечивающие повышение эффективности использования этих машин;

- выполнение экспериментальных исследований процессов пополнения и потребления запасов деревьев (хлыстов, сортиментов), анализа статистических данных о работе машин для уточнения достоверных исходных данных, обеспечивающих получение реальных результатов моделирования, позволяющих с достаточной степенью точности прогнозировать режимы работы машин для планируемых в рубку лесосек.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования выбран технологический процесс лесосечных работ в изменяющихся природно-производственных условиях. Предметом исследования являются теория, методы и модели интенсификации работы лесосечных машин.

Методология выполнения работы основывается на использовании статистического анализа, методов исследования операций, аналитических методов и имитационного моделирования. Они основаны на результатах исследований лесозаготовительного производства и особенностей его осуществления в различных природно-производственных условиях.

Научная новизна. Научной новизной обладают:

- технологические решения интенсификации лесосечных работ, отличающиеся учетом технологических, технических, экономических, экологических и социальных факторов;

- технология и организация работы верхних складов, отличающиеся учетом уровня радиоактивного загрязнения лесосек;

- технологические режимы создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов, отличающиеся учетом резервирования машинного парка;

- математические модели процессов лесосечных работ, отличающиеся учетом изменяющихся природно-производственных условий, максимальной выработки ведущей машины и изменением численности и сменности работы машин на отстающих операциях;

- аналитические зависимости количественной оценки работоспособности технологического процесса лесосечных работ, отличающиеся их описанием как резервируемой системы;

- аналитические зависимости расчета режимов работы лесосечных машин, отличающиеся учетом техногенного воздействия машин на лесные экосистемы;

- имитационные модели перераспределения дополнительных машин с лесосеки на лесосеку, отличающиеся обоснованием режимов работы этих машин для конкретной лесосеки;

- имитационные модели обоснования состава и режимов работы комплектов лесосечных машин в конкретных природно-производственных условиях, отличающиеся учетом максимальной выработки ведущей машины и перспективного объема производства на годовой расчетной лесосеке;

- методика определения исходных данных для моделирования процессов лесосечных работ, отличающаяся прогнозированием режимов работы лесосечных машин для планируемых в рубку лесосек.

Значимость для теории заключается в технологических решениях интенсификации лесосечных работ, отличающиеся учетом технологических, технических, экономических, экологических и социальных факторов; технологии и организации работы верхних складов, отличающихся учетом уровня радиоактивного загрязнения лесосек; технологических режимах создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных, (многоуровневых перемещаемых) запасов, отличающиеся учетом резервирования машинного парка; математических моделях процессов лесосечных работ, отличающихся учетом изменяющихся природно-производственных условий, максимальной выработки ведущей машины и изменением численности и сменности работы машин на отстающих операциях; аналитических зависимостях количественной оценки работоспособности технологического процесса лесосечных работ, отличающихся их описанием как резервируемой системы; аналитических зависимостях расчета режимов работы лесосечных машин, отличающихся учетом техногенного воздействия машин на лесные экосистемы; имитационных моделях обоснования состава и режимов работы комплектов лесосечных машин в конкретных природно-производственных условиях, отличающихся учетом максимальной выработки ведущей машины и перспективного объема производства на годовой расчетной лесосеке; имитационных моделях перераспределения дополнительных машин с лесосеки на лесосеку, отличающихся тем, что дают возможность определить обоснованные режимы, обеспечивающие повышение эффективности использования этих машин; методике определения исходных данных для моделирования процессов лесосечных работ, отличающийся прогнозированием режимов работы лесосечных машин для планируемых в рубку лесосек.

Значимость для практики состоит в улучшении организации работы лесосечных машин, обеспечивающей повышение эффективности (экономической, технологической, технической, экологической, социальной); в обосновании технологических схем верхних складов, обеспечивающих получение на лесосеках окоренных сортиментов и пиломатериалов с минимизацией радиационного воздействия на работников в условиях радиоактивного загрязнения лесосек; в обосновании метода и подтверждении необходимости создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов лесоматериалов в технологических процессах лесосечных работ, гарантирующих бесперебойную работу машин на смежных операциях; в методике планирования и управления режимами создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов лесоматериалов в технологических процессах лесосечных работ, обеспечивающей увеличение объема выработки машин на смежных операциях за счет увеличения численности и сменности работы машин на отстающей операции; в методике количественной оценки работоспособности технологической системы, позволяющей получить обоснованные параметры её функционирования; в установленных режимах взаимодействия лесосечных машин комплекта между собой с возможностью перераспределения дополнительных машин по лесосекам, позволяющих увеличить объемы выработки комплекта лесосечных машин до выработки ведущей машины комплекта и повысить эффективность использования дополнительных машин; в обоснованных режимах работы комплектов лесосечных машин в заданных природно-производственных условиях на основе среднестатистических данных, позволяющих сократить продолжительность разработки лесосек и снизить негативное воздействие маши на лесные экосистемы; в разработанных ЭВМ программах, реализующих модели обоснования состава и режимов работы комплектов лесосечных машин в конкретных природно-производственных условиях, перераспределения дополнительных машин с лесосеки на лесосеку, которые позволяют рассчитать объемы и режимы создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов; обоснованную численность и сменность работы лесосечных машин на отстающих операциях в автоматизированной системе технологической подготовки производства лесозаготовок как с учетом, так и без учета техногенного воздействия лесосечных машин на лесные экосистемы; в предложенной методике определения достоверных данных по процессам лесосечных работ, позволяющей с высокой точностью прогнозировать режимы работы лесосечных машин для планируемых в рубку лесосек.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования транспортно-технологических процессов выполнения лесосечных работ.

2. Технология и организация верхних складов, обеспечивающие получение на лесосеке древесины в виде окоренных сортиментов или пиломатериалов при освоении лесосек с различным уровнем радиоактивного загрязнения.

3. Уточненная классификация, назначение, расположение, особенности создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов.

4. Усовершенствованные математические модели, отличающиеся тем, что позволяют рассчитать не только объемы межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов, но и режимы их создания, пополнения, потребления и выработки в изменяющихся природно-производственных условиях и обеспечивающие объем выработки комплекта машин равный объему выработки ведущей машины комплекта за счет увеличения численности и (или) сменности работы машин на отстающих операциях.

5. Математические модели количественной оценки работоспособности технологической системы, отличающиеся возможностью рассмотрения технологического процесса лесосечных работ как резервируемой системы.

6. Математические модели расчета режимов работы лесосечных машин, отличающиеся возможностью количественной оценки техногенного воздействия машин на ЛЭС.

7. Усовершенствованные имитационные модели для определения обоснованного состава, режимов работы, организации и управления комплектом машин в конкретных природно-производственных условиях как с учетом, так и без учета техногенного воздействия машин на ЛЭС, обеспечивающие повышение эффективности (экономической, технологической, технической, экологической, социальной), отличающиеся тем, что позволяют рассчитать объемы (многоуровневых перемещаемых) запасов и режимы их создания, пополнения, потребления и выработки для различных комплектов машин на весь период разработки лесосеки при заданных объемах работ; рекомендации и методическое сопровождение по их использованию на производстве и в учебном процессе.

8. Имитационные модели перераспределения дополнительных машин с лесосеки на лесосеку, отличающиеся тем, что дают возможность определить обоснованные режимы, обеспечивающие повышение эффективности использования этих машин.

9. Методика определения достоверных исходных данных, обеспечивающих получение реальных результатов моделирования, позволяющих с достаточной степенью точности прогнозировать режимы работы машин для планируемых в рубку лесосек.

Достоверность полученных результатов обеспечена проведением системного анализа обширного материала, собранного в течение 30 лет с использованием научно-обоснованных методов; математического, имитационного моделирования и современных математических методов обработки экспериментального материала; адекватной оценкой опытно-производственной проверки разработанного теоретического, программного обеспечения и методического сопровождения, а также продолжительным применением в лесозаготовительных предприятиях и учебном процессе. Отклонение результатов моделирования на опытных данных не превышает 10%.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Московского государственного университета леса в 1984, 1985 годах; координационном совещании по теме «Разработать и внедрить автоматизированную систему оперативного планирования и управления лесозаготовительными предприятиями» в Центральном научно-исследователь-ском институте механизации и энергетики лесной промышленности (г. Химки Московской области, 1983 г.); всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы разработки и внедрения автоматизированных систем управления в лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности» (г. Москва, ВДНХ СССР, 1984 г.); ежегодных научно-технических конференциях в Брянском технологическом институте в 1984-1995 годах и в Брянской государственной инженерно-технологической академии в 1996-2010 годах; техническом совещании во всесоюзном лесопромышленном объединени «Кировлеспром» (г. Киров, 1987 г.); координационном совещании и международной научно-технической конференции по современным проблемам древесиноведения (г. Брянск, 1995 г.); всероссийской научно-практической конференции «Чернобыль: 10 лет спустя. Итоги и перспективы» (г. Брянск, 1996 г.); международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» в Брянской государственной инженерно-технологической академии в 2000-2009 годах; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» в Вологодском государственном университете в 2007 г.; ХХI-й межвузовской научно-технической конференции «Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения» в Брянской государственной сельскохозяйственной академии в 2008 году; на конкурсе на лучшую работу ученых Брянской области по естественным, техническим и гуманитарным наукам «Наука области - Брянщине» (г. Брянск, 2008 г.); первом Славянском международном экономическом форуме (г. Брянск, 2009 г.); II-й Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века» (г. Красноярск, 2010 г.); III-й международной научно-практической интернет-конференции «Леса России в ХХI веке» (г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия, 2010 год); и ХХХ-й Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 65-летию Победы (г. Миасс Челябинской области, 2010 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 68 печатных работах, в том числе 12 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, 11 в материалах научных конференций, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук, а также в 2 монографиях, 5 учебных пособиях, 1 тексте лекций и в сети Интернет.

Реализация работы. Полученные результаты и разработанные рекомендации нашли применение в организации производственного процесса ряда лесозаготовительных предприятий Кировской и Свердловской областей, Усть-Илимского ЛПК; на лесозаготовках ГУП «Дятьковский лесхоз», ООО ЛПК «Навля» и ООО «Клетнянский лес» Брянской обл., научно-исследовательской работе и в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам: «Моделирование и организация производственных процессов в лесном комплексе», «Технология лесозаготовок», «Технология и оборудование лесозаготовок»; выполнении практических, курсовых, расчетно-графических работ и в дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальностям 150400 «Машины и оборудование лесного комплекса», 080502 «Экономика и управление на предприятиях», 250201 «Лесное хозяйство», магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» в виде учебных пособий, методических разработок и ЭВМ программ в Брянской государственной инженерно-технологической академии.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 220 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 284 страницах машинописного текста, иллюстрировано 92 рисунками и 19 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены общие сведения о лесосечных работах, показаны основные факторы и степень их влияния на надежность технологических процессов и повышение производительности комплектов машин. Изложено содержание диссертационной работы, показаны актуальность и научная новизна выполненных исследований, их практическая значимость. Определены цели, задачи, методы исследования, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе более подробно рассмотрены типы производственных процессов лесозаготовок, проведен анализ факторов техногенного воздействия лесосечных машин на ЛЭС и пути его снижения, а также состояние и анализ исследований по расчету режимов работы лесосечных машин (объемов межоперационных запасов древесины, режимов их пополнения и потребления, обеспечивающих интенсификацию лесосечных работ).

В результате проведенного анализа производственных процессов выполнения лесосечных работ установлено, что лесозаготовительный процесс является многофазным и многооперационным. Он включает три основные фазы: лесосечные работы, транспорт леса и нижнескладские работы. В настоящее время в лесной промышленности сложилось в основном четыре типа (таблица 1) технологических процессов (ТП) лесозаготовок: технология с заготовкой деревьев; хлыстовая технология, сортиментная технология и технология с углубленной переработкой древесины.

Таблица 1 - Технологические процессы лесосечных работ

Группа технологических процессов	Номер технологического процесса	Операции, выполняемые на лесосеке	Вид трелюемых лесоматериалов	Операции, выполняемые на верхнем складе или погрузочном пункте	Вид вывозимых лесоматериалов
Технология с заготовкой деревьев	1	В-Фп	Д	П	Д
Хлыстовая технология	2 3	В-Фп В-Ос-Фп	Д X	Ос-П П	X X
Сортиментная технология	4 5 6 7	В-Ос-Фп В-Фп В-Ос-Р-Фп В-Ос-Р-Фп-П	X Д С	Р-П Ос-Р-П П	С С С С
Технология с углубленной переработкой древесины	8 9 10	В-Фп В-Ос-Р-Фп В-Ос-Р-Фп, Рщпо-П	Д С С	Ос-Р-Пр-П Пр-П Ок-Рщ-П	Пм Пм Щтех, Щтоп

Примечание: В-- валка деревьев; Ок -- окорка; Ос-- очистка деревьев от сучьев; П -- погрузка на лесовозный транспорт; Пр -- продольная распиловка; Р-- раскряжевка; Рщ-- рубка в щепу; Ршпо -- рубка в щепу порубочных остатков; Фп -- формирование пакета; Д -- деревья; Пм -- пиломатериалы; С -- сортименты; X-- хлысты; Щтех-- щепа технологическая; Щтоп-- щепа топливная.

Для обеспечения рассмотренных ТП «Основными направлениями развития лесной промышленности России», одобренных распоряжением Правительства РФ от 1 ноября 2002 г. № 1540-р предусматривается постепенное увеличение процента машинизации лесозаготовок (табл. 2).

Таблица 2 - Процент машинизации по годам

Показатель	Процент машинизации по годам
	2005	2010	2015
Планируемый процент машинизации	35-40	50-60	70-75

Наиболее существенным в данном документе является уровень машинизации лесозаготовительных работ, который определяет потенциальную потребность в лесных машинах. В соответствии с планируемым процентом машинизации определен парк машин (табл. 3).

Таблица 3 - Парк машин нового поколения по технологиям лесозаготовок

Типы машин	Количество машин по годам
	2005	2010	2015
Хлыстовая заготовка
Валочно-пакетирующие машины экскаваторной компановки	160	680	800
Валочные, валочно-трелевочные машины	100	425	500
Трелевочные машины	800	1700	2200
Сучкорезные машины, процессоры	570	1880	2100
Погрузчики	600	2100	2200
Сортиментная заготовка
Харвестеры	75	375	1125
Форвардеры	100	560	1690

Анализ таблицы 3 показывает, что на ближайшую перспективу наибольшее распространение получат ТП, обеспечивающие заготовку и вывозку хлыстов и сортиментов. ТП, предусматривающий выработку на лесосеке пиломатериалов в основном применяется в мелких частных лесовладениях за рубежом. В нашей стране он не получил промышленного распространения в связи с отсутствием во-первых, высокопроизводительной техники, способной производить распиловку круглых лесоматериалов в условиях лесосеки, а во-вторых в связи с отсутствием соответствующих технологий. Этот технологический процесс представляет особый интерес при разработке лесосек на радиоактивно загрязненных территориях.

В зону радиационного загрязнения местности попали леса, отнесенные по своему целевому назначению к защитным и эксплуатационным лесам. Общая площадь лесов 15 субъектов РФ составляет 982,6 тыс. га, из них 856,3 тыс. га с плотностью загрязнения цезием-137 от 1 до 5 Ки/км², 96,6 тыс. га с плотностью загрязнения от 5 до 15 Ки/км², 27,5 тыс. га с плотностью загрязнения от 15 до 40 Ки/км² и 2,2 тыс. га с плотностью загрязнения свыше 40 Ки/км². Заготовку древесины в эксплуатационных лесах ведут в порядке главного и промежуточного пользования. Заготовленная в лесных массивах первой зоны загрязнения древесина может быть использована в промышленных целях после полной очистки бревен от коры. Из лесных массивов второй зоны загрязнения древесина может использоваться в промышленных целях при условии полной очистки бревен от коры и снятия двухсантиметрового внешнего слоя. ТП верхних складов в зависимости от применяемого оборудования на валке, трелевке, обрезке сучьев, раскряжевке и первичной обработке может организовываться по нескольким схемам.

Для лесных массивов первой зоны загрязнения радионуклидами можно рекомендовать следующую организацию работы верхнего склада (рис. 1). Предлагаемые нами схемы и оборудование верхних складов дают возможность с минимальными потерями стволовой древесины заготовить и отгрузить потребителю «чистую» древесину в виде окоренного сырья или готовых пиломатериалов. Для предлагаемых вариантов ТП в настоящее время разработаны и применяются мобильные установки как отечественного, так и зарубежного производства.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Структурно-технологическая схема производства окоренных сортиментов: 1 - штабель деревьев; 2 - сучкорезно-раскряжевочная машина; 3 -сортименты; 4 - вал сучьев; 5 - окорочный станок; 6 - окоренные сортименты

Для лесных массивов второй зоны нами разработаны технологические схемы с переработкой сортиментов на шпалы и пиломатериалы (рис. 2).

В лесной промышленности, как и любой другой отрасли материального производства создаются и потребляются различные виды запасов объектов труда. Основной причиной создания запасов признается необходимость предотвращения остановки производственного процесса в случае их недостаточности. Особенности лесозаготовительного производства накладывает свои требования на методы управления запасами. Обзор работ по моделированию и оптимизации технологических процессов лесопромышленного производства показал, что для решения поставленных задач широко используются методы математического и имитационного моделирования, основанные на статистическом и логическом анализе существующих технологических процессов с использованием вычислительной техники и компьютерных технологий.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Структурно-технологическая схема производства шпал и пиломатериалов: 1-грузовые платформы; 2 - обрезки и горбыль; 3 и 4 - соответственно операторы станков и помощники операторов; 5- фрезернопильный станок; 6 - ленточнопильный станок; 7- штабель тонкомерных сортиментов; 8 - вал сучьев; 9- штабель лиственных и хвойных деревьев; 10 - штабель хвойных деревьев; 11- сучкорезно-раскряжевочные машины;12 - штабель крупномерных сортиментов; 13 - обрезной станок; 14 - торцовочный станок; 15- подстопное место

Вопросам совершенствования техники и оптимизации технологических процессов лесопромышленных предприятий, исследованиям потоков лесоматериалов, транспортных средств, отказов машин и оборудования в лесозаготовительном производстве (ЛП); управления техническим состоянием оборудования посвящены работы В.И. Алябьева, В.В. Амалицкого, Н.Г. Багаева, И.В. Батина, Б.А. Васильева, Д.К. Воеводы, В.С. Ганжи, Н.Т. Гончаренко, Д.Л. Дудюка, Б.Г. Залегаллера, Ф.Е. Захаренкова, А.А. Камусина, Н.К. Климушева, Г.А. Комарова, В.К. Курьянова, Ю.В. Лебедева, Ф.В. Пошарникова, А.К. Редькина, В.Г. Рогулина, Ю.А. Садовского, И.В. Турлая, В.Р. Фергина, Ю.А. Ширнина, С.Б. Якимовича и многих других.

В последние десятилетия проблема снижения уровня отрицательного воздействия лесосечных машин на ЛЭС при сплошных и выборочных рубках стала ключевой не только при проектировании новой техники, но и при организации ее работы. Лесозаготовительное производство находится в непосредственном соприкосновении с природой. Поэтому учет экологических последствий при задании технологических требований в проектировании или выборе технологического процесса и комплекта машин - актуальная проблема, еще пока не нашедшая эффективного решения главным образом из-за отсутствия количественных оценок этих последствий.

Концепции научного направления, рассматривающие снижение объемов техногенного воздействия лесосечных машин на окружающую среду, получили развитие в трудах Г.М. Анисимова, Ю.Ю. Герасимова, И.В Григорьева, А.А. Гуковой, И.М. Бартенева, А.Н. Жидкова, О.Г. Климова, В.С. Николаевского, В.И. Обыденникова, С.А. Родина, В.С. Сюнева, А.Г. Цыкалова и многих других.

Факторы, влияющие на степень воздействия машин на лесные экосистемы, можно разделить на три основные группы: природно-климатические; организационно-технологические; конструктивно-производственные. Из управляемых факторов наибольший интерес представляют организационно-технологические факторы. Из них в свою очередь расчет режимов работы (расчет объемов запасов и времени их создания, пополнения, потребления и выработки) и организация работы машин по рассчитанным режимам.

Обзор исследований по типам технологических процессов и расчету режимов работы машин в лесозаготовительном производстве, факторов техногенного воздействия лесосечных машин на ЛЭС и путей его снижения позволил выявить следующие нерешенные задачи:

1) практически отсутствуют рекомендации по организации технологических процессов верхних складов, обеспечивающих получение на лесосеке древесины в виде окоренных сортиментов или пиломатериалов при освоении лесосек с различным уровнем радиоактивного загрязнения;

2) не выработаны четко сформулированные требования к запасам и нет единого определения понятия запаса лесоматериалов, терминологии и классификации запасов лесоматериалов в технологическом процессе лесозаготовок;

3) для решения задач управления технологическим процессом не разработаны модели расчета режимов (объемов межоперационных запасов и режимов их создания, пополнения, потребления и выработки) и методы организации работы лесосечных машин, с учетом повышения работоспособности и получения максимальной выработки комплекта машин, минимальных затрат и снижения отрицательного их воздействия на ЛЭС;

5) не разработаны имитационные модели для определения оптимального состава, режимов работы, организации и управления комплектом машин в конкретных природно-производственных условиях, обеспечивающих повышение эффективности (технологической, технической, экологической, социальной, экономической), а также рекомендации и методическое сопровождение по их использованию на производстве и в учебном процессе.

Во втором разделе уточнены основные особенности лесосечных работ, назначение и классификация запасов и проведен анализ технологической структуры лесосечных работ, как объекта моделирования.

На лесосеках машины и механизмы, выполняющие отдельные операции, объединяются в комплекты машин. При формировании комплектов машин для лесосечных работ невозможно подобрать их количественный состав, при котором выработка машин на всех операциях при всех условиях была бы равна или пропорциональна. При различных составах комплектов машин их сменный объем выработки равен минимальному объему выработки машин на одной из операций. Производительности машин в течение всего периода их работы не остаются постоянными, а изменяются. В силу неравномерности осуществления технологических процессов на стыках операций формируются запасы лесоматериалов. Изменения производительностей машин вызывают неравномерности интенсивностей пополнения и потребления запасов древесины между ними (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма дневной интенсивности пополнения и выработки запасов по месяцам

Запасы лесоматериалов в ЛП играют важную роль своеобразного буфера, сглаживающего неравномерность выполнения смежных технологических операций. Динамика изменения этих операций порой значительно отличается друг от друга как по интенсивности, так и по характеру; одна из них может увеличиваться при снижении другой. Различная динамика технологических процессов на смежных фазах и операциях ЛП определяет необходимость ее учета при решении задач управления запасами лесоматериалов. Как видно из сказанного запасы создаются между смежными операциями, т.е. все они межоперационные.

Межоперационные запасы между отдельными операциями создаются в начале, потребляются и пополняются в течение всего периода, а вырабатываются в конце разработки каждой лесосеки. Они служат для обеспечения зоны безопасной работы, компенсации отклонений фактических объемов и времени поступления сырья на очередную операцию от расчетных значений, а также с целью максимального сокращения простоев машин и оборудования при нарушении производственного цикла из-за погодных, организационных, технических и других причин.

Межоперационные запасы в транспортно-технологических потоках лесозаготовок различаются по назначению и месту нахождения. В связи с тем, что запасы между операциями валка и трелевка, трелевка и обрезка сучьев, обрезка сучьев и погрузка создаются и поддерживаются определенных объемов для конкретных условий и не находятся на одном и том же месте, а «перемещаются» по лесосеке в течение всего периода ее разработки, быстро и вовремя могут начать «работать» при остановке смежных машин, их справедливо назвать - оперативные, технически и технологически перемещаемые. При рассмотрении причинно-следственной связи создания оперативных запасов, нами установлено, что они имеют многоуровневый характер. Первый уровень это страховые запасы, они складываются из технологических (обеспечивающих зону безопасной работы) и технических (обеспечивающих работу машин на следующей операции, когда машины на предыдущей операции, выходят из строя).

Интенсивности создания, пополнения, потребления и выработки запасов могут постоянно изменяться. При этом очень важно наличие или отсутствие взаимодействие этих процессов, одновременность или разновременность их протекания. Для учета данного фактора запасы лесоматериалов подразделяются на активные и пассивные.

Пассивный - не проявляющий деятельности, безучастный, безразличный к окружающей жизни. Зависимый, лишенный самостоятельности. Этот термин в полной мере отвечает сезонным, а также оперативным запасам в части уровня страховых запасов, так как они создаются в начале и вырабатываются в конце освоения лесосеки, и обеспечивают безопасную работу рабочих и бесперебойную работу машин, и готовы к использованию по определенному назначению (периодического пользования). В отличии от сезонных запасов, страховой уровень запасов не находится на одном месте, а постоянно перемещается от начала до конца разрабатываемой лесосеки и качество древесины в связи с этим не меняется, так как продолжительность от создания до потребления составляет максимум 2-3 дня.

С другой стороны термины: активный, деятельный, энергичный, действующий, развивающийся в полной мере соответствуют постоянно действующим оперативным запасам (только в части организационного объема запасов), т.к. они создаются и поддерживаются (пополняются и потребляются) на определенном для конкретных условий уровне в течение всего периода разработки лесосеки.

Рассматривая оперативные запасы между операциями лесосечных работ, мы установили, что они создаются в начале, пополняются и потребляются во время, а вырабатываются в конце разработки лесосеки, то есть по мере разработки лесосеки перемещаются от ее начала к концу, значит они перемещаемые, так как создаются и потребляются в координатах времени и пространства. В связи с тем, что машины и оборудование непосредственно в их перемещении не участвуют, они могут рассматриваться как технологически перемещаемые. Тогда предметы труда, перемещаемые на машинах, могут рассматриваться как технически перемещаемый запас. При исследовании технологических процессов нижнескладских работ и цехов по переработке древесины установлено, что запасы, как правило, или не перемещаются, находятся на определенном, ограниченном по площади месте, или перемещаются различными транспортными средствами. Таким образом, по этому признаку предлагается классифицировать запасы на неперемещаемые и перемещаемые (технологически перемещаемые и технически перемещаемые).

На основании проведенного анализа запасов можно сделать следующий вывод: все запасы межоперационные; активные и пассивные; между отдельными операциями они многоуровневые; на лесосеке, как правило, технологически или технически перемещаемые; на нижнем складе и в цехах неперемещаемые или технически перемещаемые.

В связи с этим и методика расчета объемов запасов различная. Объем страхового (пассивного) уровня запасов может быть рассчитан по формуле:

Z_C= Z_ТХ + Z_ТН,

где - Z_ТХ - уровень технологических запасов, м ³; Z_ТН - уровень технических запасов, м ³.

Второй уровень это гарантийный запас, который складывается из страхового и оперативного:

Z_Г = Z_С + Z_О

,

где Z_С - объем страховых запасов, м ³; Z_О - объем оперативных запасов, м³.

Или .

Технологический запас Z_ТХ между операциями валки и трелевки составляет объем древесины, заготовленной с площади, равной по длине и ширине зоне безопасной работы и может быть рассчитан по формуле:

,

где L, B - длина и ширина зоны безопасной работы (разрабатываемой ленты), м; Q_ср - средний ликвидный запас древесины на га, м³/ га;

при L = 50 - 250 м; B = 50 м, Z_ТН = (0,25 - 1,25) Q_ср.

Объем технологического запаса между операциями трелевки и обрезки сучьев, обрезки сучьев и погрузки должен обеспечивать маневренную и безопасную работу технических средств и рабочих и будет прямо пропорционален производительности, например, сучкорезных и погрузочных машин и времени, за которое этот запас будет выработан:

,

где П_см - сменная производительность сучкорезной или погрузочной машины, м³/см; Т_см - число смен, за которое будет выработан объем технологического запаса.

Объем технического уровня запасов можно определить, рассмотрев простейшую линию, состоящую из двух технических средств (ТС), производительности которых в единицу времени соответственно равны П₁ и П₂, а коэффициенты технической готовности К_тг1 и К_тг2. Продолжительность простоя в единицу времени их будет соответственно равна:

T_пр1 = 1 - К_тг1; Т_пр2=1- К_тг2,

тогда продолжительность наложенных простоев в единицу времени двух смежных ТС составит:

Т_прН= T_пр1 + Т_пр2 =1 - К_{тг 1} + 1- К_тг2=2 - (К_тг1+ К_тг2),

а объем технического уровня запасов необходимых для бесперебойной работы ТС в течение смены можно определить по формуле:

Z_ТН =П_{i max} * Т_прН *Т_см= П_{i max}* [2 - (К_тг1+ К_тг2)]* Т_см.

Величина оперативного объема запасов должна создаваться и поддерживаться на определенном, рассчитанном для конкретных условий уровне, гарантирующем бесперебойную работу машин. Работа ТС должна организовываться, исходя из условий управления запасами.

Комплекты лесосечных машин, обеспечивающие выполнение всех операций конкретных технологических процессов, представляют собой поточные линии. Схемы поточных линий могут отвечать линиям со смешанным агрегатированием с гибкими связями (рис. 4). Характер схем комплектов машин и вид их связи обуславливает наличие запасов древесины между операциями, их назначение и размещение.

На основании проведенного анализа рисунка 4 можно сделать вывод, что схему пополнения и потребления оперативных запасов в общем виде можно представить как схему смешанного агрегатирования (рис. 5), когда запас пополняют и потребляют по нескольку машин. Это заключение будет справедливо и для других вариантов, т.к. n и m могут принимать значения целых чисел (n=1,2,3,…., N ) и (m=1,2,3,…, M). На основании этой модели с учетом особенности каждой операции можно анализировать процессы пополнения и потребления оперативных запасов между всеми операциями лесосечных работ.

Эту графическую модель используем для построения аналитических моделей определения объемов гарантийного уровня запасов и режимов их пополнения и потребления между парой операций ТП.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Графическая модель единичных операций по-полнения и потребления запасов смешанного агрегатирования

В третьем разделе предложена общая постановка интенсификации производственных процессов лесосечных работ, определены условия и разработаны: усовершенствованные математические модели расчета объемов оперативных запасов, продолжительности расчетного периода при заданных объемах запасов, времени их пополнения и потребления, рационального управления дополнительными машинами, а также модели для определения снижения объемов техногенного воздействия лесосечных машин на ЛЭС.

Задача управления запасами может решать экономические, технологические, технические, экологические и другие вопросы и заключается в поддержании величины оперативных запасов на таком уровне , других параметров управления такими , при которых некоторые показатели эффективности R_к (к = 1,2,3,...,к) будут поддерживаться на минимальном или максимальном уровне, т.е.

.

Проведенные нами исследования показали, что, как правило, возможны два варианта несоответствия объемов выработки машин на смежных операциях. Первый, когда объем выработки машин на предыдущей i-й операции больше, чем на следующей s-й (Q_max > Q_S) и второй, когда объем выработки машин на предыдущей i-й операции меньше, чем на следующей s-й (Q_i < Q_max). Для выравнивания объемов выработки на смежных операциях необходимо на два - три основных комплекта машин иметь комплект дополнительных машин: на валке, обрезке сучьев и раскряжевке - бензиномоторную пилу, на трелевке - чокерный трелевочный трактор. Этот комплект необходимо иметь на лесосеке и потому, что по своим техническим возможностям лесозаготовительные машины не могут освоить около 5% древостоя. При малых объемах заготовок одним из основных трелевочных тракторов должен быть чокерный, а дополнительной только бензопила.

Графическая модель создания, пополнения, потребления и выработки объемов оперативных запасов для этих случаев с учетом подключения дополнительных машин или (и) увеличения числа смен работы основных машин в конце расчетного месяца будет иметь следующий вид (рис. 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Изменение запасов древесины в течение всего периода разработки лесосеки в зависимости от соотношения объемов их пополнения и потребления: а-при Q_i ‹Q_max; б- при Q_max › Q_S

Первый месяц (Т⁽¹⁾) разработки лесосеки включает: число дней t₁ - необходимое для создания запасов; t₂ - для их пополнения и потребления основными машинами без подключения дополнительных; t₃ - совместной работы основных и дополнительных машин.

Второй и (j) -тый месяцы (Т^(j)) (в расчетном периоде j = 1, 2, 3, ..., J месяцев) содержат число дней t₂ и t₃ , соответственно, работы только основного оборудования и основного и дополнительного. Последний месяц (Т^(J)) характеризуется числом дней (t₂, t_3, t₄, где t₄ - число дней, необходимое основным s-м машинам, вырабатывающим запасы) для реализации запасов древесины после перебазировки i-х машин (пополняющих запасы) на новую лесосеку.

В соответствии с рисунком 6 и анализом общепринятого показателя отчетности - числа дней работы машин (месяц), нами получены математические модели для определения гарантийного уровня оперативного запаса в зависимости от соотношения объемов его пополнения и потребления из условия максимальной выработки комплекта машин (Q_max), с учетом подключения дополнительных машин на отстающей операции:

для первого месяца разработки лесосеки при (Q_i < Q_max):

(1)

при (Q_max > Q_S):

. (2)

Математические модели для определения объемов запасов для второго и последующих j-х месяцев:

при (Q_max > Q_S): Z_Г = ; (3)

при (Q_i < Q_max): Z_Г = (4)

для последнего J-го месяца при (Q_i < Q_max):

Z_Г = (5)

при (Q_max > Q_S): Z_Г =. (6)

Обратная задача формулируется следующим образом: исходя из сложившегося, существующего, рассчитанного или нормативно заданного уровня запаса лесоматериалов между отдельными парами операций требуется рассчитать продолжительность времени бесперебойной работы машин на смежных операциях. Для решения этой задачи нами разработаны соответствующие математические модели:

для первого месяца разработки лесосеки при (Q_i < Q_max):

, (7)

при (Q_max > Q_S): , (8)

для второго и последующих j-х месяцев при (Q_i < Q_max):

; (9)

при (Q_max > Q_S): , (10)

для последнего J-го месяца при (Q_i < Q_max):

; (11)

при (Q_max > Q_S): . (12)

Полученные математические модели (1) - (6) дают возможность определить величину гарантийного уровня оперативных запасов между каждой парой операций, обеспечивающих бесперебойную работу транспортно-технологического потока комплекта лесосечных машин. Для того, чтобы оперативные запасы не превышали предельной величины, необходимо знать когда, на сколько и какое дополнительное техническое средство требуется подключать к основному комплекту машин (или на сколько необходимо увеличить число дней работы основного оборудования).