Russian Federation
Russian Federation
This article discusses the development of a grapho-analytical method for modeling technological processes of discrete-continuous production lines of timber warehouses. The proposed approach is based on matrix transformations of coordinates and allows us to analytically describe the structure of technological operations with visualization in the form of graphs of displacement versus time. The authors have identified two key modeling methods: summation of displacement vectors and summation of particular time values, of which the first is more effective for longitudinal feeding of wood raw materials. The work focuses on the current problems of production line design, historically estab-lished methods, as well as the advantages of the grapho-analytical approach over traditional methods. The purpose of the research is to develop a structured method for modeling technological processes to improve the design and optimi-zation of production lines of timber warehouses. The research methods include theoretical modeling, analytical descrip-tion of processes based on matrix transformations and graphical representation of the results. Results: A new modeling method is proposed that makes it possible to simplify the process of designing warehouse infrastructure and increase its accuracy. The technique demonstrates its effectiveness in modeling the operation of longitudinal feed lines for wood raw materials. Scope of application: The developed approach is focused on use in the forestry industry, but it can be adapted to other industries with similar technological challenges. Conclusion: The presented modeling method makes it possible to optimize the design of production lines, reducing the time and financial costs of experimental development. The work has scientific and practical significance for the development of the concept of integrated use of forest re-sources. The work was carried out within the framework of the scientific school "Innovative developments in the field of logging industry and forestry".
Grapho-analytical modeling of discrete-continuous production lines of timber warehouses
Введение
Во времена СССР в нашей стране доминировала хлыстовая заготовка древесины, которая предусматривала вывозку с лесосек на лесопромышленные склады древесного сырья в виде хлыстов, реже деревьев, или полухлыстов. Также была разработана технология заготовки и вывозки древесного сырья в виде полудеревьев, но в производственный процесс лесозаготовительных предприятий она не была внедрена [1, 2].
После крушения СССР отечественное лесное машиностроение, ориентированное на выпуск лесных машин для хлыстовой заготовки древесины – валочно-трелевочных, валочно-пакетирующих, также было развалено. На лесозаготовительных предприятиях России начали доминировать системы машин для сортиментной заготовки древесины, прежде всего харвестеры и форвардеры, реже встречаются форвестеры и харвардеры, валочно-трелевочно-процессорные машины [3]. На ряде крупных предприятий Сибири сортименты получают на верхних складах, при помощи процессоров.
Доминирование сортиментной заготовки привело к тому, что такой вид лесопромышленных складов как нижние склады лесозаготовительных предприятий также стали редкостью. Ведь именно на них ранее производили первичную обработку заготовленного древесного сырья – раскряжевку и сортировку, реже обрезку сучьев, раскряжевку и сортировку [4].
С одной стороны, сортиментная древесины заготовка доминирует во всем мире. Она позволяет, отказавшись от промежуточных (нижних) лесопромышленных складов, доставлять сортименты различных групп сортировки – породы, размеров, качества, назначения, непосредственно на биржи сырья потребителей, или лесоперевалочные базы.
С другой стороны, производство сортиментов на лесосеке, при котором очистка деревьев от сучьев, раскряжевка и сортировка выполняются машинами и оборудованием с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) повышает энергоемкость технологического процесса лесосечных работ, поскольку КПД ДВС значительно ниже, чем у электродвигателей привода стационарных сучкорезных, раскряжевочных, сучкорезно-раскряжевочных установок, и сортировочных транспортеров [5].
Кроме того, оптимальность раскроя при раскряжевке на лесосеке значительно меньше, чем при раскряжевке на стационарных раскряжевочных установках лесопромышленных складов, что заметно снижает процент выхода деловой древесины в целом, а также процент выхода целевых сортиментов [6].
Поэтому можно в настоящее время наблюдать процессы отказа крупных лесопромышленных предприятий Сибири, имеющих возможность осуществлять транспортировку заготовленных хлыстов по собственным лесовозным дорогам, или водным транспортом, в плотах, от сортиментной заготовки и возврата к хлыстовой. При этом их собственные лесопромышленные склады оснащаются импортными (из недружественных стран) раскряжевочно-сортировочными линиями.
Несмотря на то, что вывозить заготовленную древесину из леса в виде деревьев с кроной не выгодно ввиду малого коэффициент полнодревесности воза, по мере развития технологий переработки кроновой части деревьев с получением востребованной, высокомаржинальной продукции, и подорожанием древесного сырья в целом, этот вариант технологического процесса лесосечных работ также начинает становиться востребованным, вкупе с апробациями технологии заготовки полудеревьями, при которой комлевая и срединная часть хлыста, в виде делового долготья вывозятся на нижние лесопромышленные склады отдельно, а вершинная часть дерева с кроной отдельно. При этом для повышения коэффициента полнодревесности воза последних можно обеспечить их принудительное уплотнение при погрузке и перевозке [7].
Следовательно, при рассмотрении вариантов возрождения в России производства агрегатов поточных линий нижних лесопромышленных складов от идеи стационарных сучкорезных, или сучкорезно-раскряжевочных установок отказываться рано.
Первичная обработка древесного сырья в виде хлыстов, полухлыстов, деревьев на лесопромышленных складах осуществляется, обычно, на линиях с продольной подачей, с последовательным или смешанным агрегатированием под раскряжевочную пилу, система 1НС. Или с поперечной подачей - с поперечным надвиганием на постав дисковых пил (раскряжевочные установки типа слешер, триммер), система 2НС. Также были разработаны и ограничено внедрены на крупных лесопромышленных складах линии, предусматривающие групповую (пачковую) обработку деревьев или хлыстов, система 3НС, на установках типа МСГ-3, МСГ-3.1, ЛО-62 [4, 6, 8, 9]. Выбор типа раскряжевочной поточной линии зависит от годового грузооборота конкретного предприятия. Очевидно, что новые условия применения цифровой автоматизации требуют создания нового поколения раскряжевочных поточных линий, которые будут отвечать требованиям по ресурсосбережению, производительности, энергоемкости и др. Изучение литературных источников показало, что оборудование для первичной обработки древесного сырья на лесопромышленных складах в Российской Федерации в настоящее время серийно не выпускается. Изготавливается мелкосерийное оборудование без учета региональных условий арендных баз, например, таксационных и качественных характеристик произрастающих на них древостоев [10, 11]. В то время как до девяностых годов ХХ века в нашей стране выпускались поточные линии с продольной подачей типа хлыста, включавшие в себя стационарные сучкорезные, раскряжевочные, сучкорезно-раскряжевочные установки, ПСЛ-2А, ЛО-15С, ЛО-30, и др. конструкция которых учитывала региональные особенности как климатические (линии в северном исполнении), так и таксационные - по крупности и качеству древесного сырья. Естественно, возобновлять выпуск морально устаревшего оборудования не рационально, необходимо совершенствовать конструкции агрегатов и оборудования, входящих в структуры различных поточных линий. Необходимо разработать метод моделирования поточных линий с последовательным размещением оборудования и агрегатов в количестве более двух, что позволит внедрять оборудование с минимальным количеством доработок. Именно такую последовательность структуры поточных линий современные методы моделирования не решают [4, 12]. Моделирование ведется методом циклограмм при очень слабой формализации технологического процесса [12]. Многие критерии оценки можно получить только экспериментальным путем, что очень дорого. Существующие методы моделирования поточных технологий на основе теории массового обслуживания, PDE метода (описание процесса уравнениями в частных производных [13, 14], вероятностные методы, не решают проблему, поскольку также приводят в лучшем случае к циклограммам (учитывают) два параметра (время и безразмерную величину). То есть, даже наиболее совершенный метод решения проблемы PDE [12-15] решает задачу в двухмерной области. Решение сводится к циклограммам в формате 2D [15]. Изложенный ниже метод матричных преобразований координат решает проблему поточных технологий с последовательно установленным оборудованием более двух единиц в формате 4D плюс. То есть, метод позволяет учитывать структуру поточной линии при последовательных или одновременных перемещениях по координатным осям X, Y, Z с учетом частных значений времени перемещений по отдельным агрегатам. Для этого применяются матрицы 5×5 [16]. При этом имеется возможность учитывать любую операцию, на любом станке (установке, агрегате), если имеются затраты времени на выполнение операции.
Цель данной работы: разработать метод моделирования работы оборудования поточных линий лесопромышленных складов, дающий возможность варьировать факторами изменчивости параметров предмета труда, скорости перемещения, времени работы инструмента с немедленным получением отклика моделирующей системы на следующей последовательности обработки предмета труда, а также определять степень совмещенности операций и задержек.
1. Grigor'ev I.V., Grigor'eva O.I., Nikiforova A.I., Gluhovskiy V.M. Perspektivnye napravleniya raz-vitiya tehnologicheskih processov lesosechnyh rabot // Trudy BGTU. №2. Lesnaya i derevoobrabatyvayuschaya promyshlennost'. 2016. № 2 (184). S. 109-116.
2. Tihonov I.I., Grigor'ev I.V. Tehnologicheskiy process lesosechnyh rabot pri vyvozke drevesiny po-luderev'yami // Materialy shestoy vserossiyskoy nauchno-tehnicheskoy konferencii «Vuzovskaya nauka - regionu». Vologda: VoGTU, 2008. - T.1. - S.188-189.
3. Grigor'eva O.I., Nguen F.Z. Perspektivnaya tehnika dlya provedeniya rubok uhoda za lesom // Lesa Ros-sii: politika, promyshlennost', nauka, obrazovanie. materialy nauchno-tehnicheskoy konferencii. 2016. S. 112-114.
4. Patyakin V.I., Red'kin A.K., Bazarov S.M., Birman A.R., Bit Yu.A., Grigor'ev I.V., Shadrin A.A., Che-modanov A.N. Tehnologiya i oborudovanie lesnyh skladov i lesoobrabatyvayuschih cehov: uchebnik dlya stu-dentov vuzov, obuchayuschihsya po napravleniyu podgotovki diplomirovannyh specialistov 656300 Tehnolo-giya lesozagotovitel'nyh i derevoobrabatyvayuschih proizvodstv po special'nosti 250401 Lesoinzhener-noe delo / Moskva, Izdatel'stvo: Moskovskiy gosudarstvennyy universitet lesa - 2008. - 384 s
5. Aleksandrov I.K., Grigor'ev I.V., Ivanov V.A., Elizarov Yu.M., Chudnov Yu.N. Metodika opredeleniya toplivnoy ekonomichnosti benzomotornyh pil // Vestnik KrasGAU. 2010. № 2 (41). S. 112-117.
6. Kunickaya O.A., Tihonov I.I., Kunickaya D.E., Grigor'ev I.V., Zemcovskiy A.E. Optimizaciya processa raskryazhevki hlystov na lesoperevalochnyh bazah lesnyh holdingov pri vypilovke syr'ya dlya machtopropi-tochnyh zavodov // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. 2014. № 3 (339). S. 86-93.
7. Tihonov I.I., Grigor'ev I.V., Nikiforova A.I., Grigor'eva O.I. Lesovoznyy transport. Patent na poleznuyu model' RU 119206 U1, 20.08.2012. Zayavka № 2012120320/13 ot 17.05.2012.
8. Ryabuhin P.B., Grigor'ev I.V., Trushevskiy P.V., Kurochkin P.A., Ohlopkova M.K., Zhuk A.Yu. Postanov-ka zadachi poiska optimal'nyh parametrov konstrukcii ustanovki dlya gruppovoy raskryazhevki pachek po-rubochnyh ostatkov // Sistemy. Metody. Tehnologii. 2024. № 1 (61). S. 130-137.
9. Ryabuhin P.B., Grigor'ev I.V. Opredelenie natyazheniya nesuschego kanata gibkogo rezhuschego organa v processe raboty ustanovki dlya pachkovoy raskryazhevki // Sistemy. Metody. Tehnologii. 2021. № 4 (52). S. 63-72.
10. Grigorieva O.I., Runova E.M., Tikhonov E.A., Storodubtseva T.N., Druzyanova V.P., Gerts E.F., Garus I.A., Grigorev I.V. Dynamics of the taxation characteristics of forest stands in the North-West of Russia // Polish Journal of Environmental Studies. 2022. T. 31. № 5. S. 4107-4115.
11. Grigoreva O., Runova E., Ivanov V., Alyabyev A., Hertz E., Voronova A., Shadrina S., Grigorev I. Influ-ence of different forest management techniques on the quality of wood // Journal of Renewable Materials. 2021. T. 9. № 12. S. 2175-2188.
12. Serdyuk A.I., Rahmatullin R.R., Zelenin A.P. Metod ciklogramm v issledovanii gibkih proizvod-stvennyh yacheek. modeli i algoritmy: monografiya – Orenburg: GOU OGU, 2009. – 208 s.
13. Korobeckiy Yu.P., Ramazanov S.K. Imitacionnye modeli v gibkih – Lugansk: Izd. VNU, 2003. – 280 c.
14. Pignastyy O..M. Osnovy statisticheskoy teorii postroeniya kontinual'nyh modeley proizvod-stvennyh liniy // Vostochno-Evropeyskiy zhurnal peredovyh tehnologiy. Matematika. 2014. S. 3-12.
15. Pignastyy O.M., Zaruba V.Ya. Kontinual'noe modelirovanie proizvodstva na potochnyh liniyah // Mul'tikonferenciya po problemam upravleniya: tezisy dokladov 6-oy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii (MKPU-2013), (Divnomor'e, 30 sentyabrya-5 oktyabrya 2013 g.). - Rostov -na-Donu: Izd-vo Yuzhnogo federal'nogo universiteta, 2013. Tom. 3 - S. 157-161.
16. Denavit J., Hartenberg R.S. A Kinematic Notation for lower Pair Mechanisms Based on Matrices // Journal of Applied Mechanics ,vol.22,trans.ASME,vol.77,series E.,1955, rp.215-221.
17. Akivis M.A. Tenzornoe ischislenie –Izd –vo «Nauka» , 1972. – 325 s.
18. Vorob'ev E.I., Popov S.A., Sheveleva G.I. Mehanika promyshlennyh robotov: v 3 kn. Kn. 1. Kinema-tika i dinamika – M.: Vyssh. shk., 1988. – 304 s.
19. Kreynin, G. V. Kinematika, dinamika i tochnost' mehanizmov – Spravochnik. – M.: Mashinostroe-nie, 1984. – 224 s.
20. Lozovoy, V. A. Matrichnoe preobrazovanie koordinat primenitel'no k strukturnomu analizu ras-kryazhevochnyh liniy // Lesoekspluataciya: mezhvuz. sb. nauchn. tr. – Krasnoyarsk: SibGTU, 1998. S. 133-139.
21. Lozovoy V.A., Nikonchuk M.Yu., Litvinov D.Yu. Koncepciya modelirovaniya potochnyh tehnologiy me-todom matrichnyh preobrazovaniy koordinat // Hvoynye boreal'noy zony. 2022. T. 40. № 6. S. 552-557.
22. Grigor'ev I.V., Kunickaya D.E. Umen'shenie kolichestva othodov osnovnogo proizvodstva drevesno-podgotovitel'nyh cehov za schet avtomatizacii osnovnyh operaciy // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika. 2015. T. 3. № 2-2 (13-2). S. 409-412
23. Grigor'ev I.V., Grigor'eva O.I. Postanovka zadachi ekonomicheskoy ocenki uluchsheniya usloviy truda i bezopasnosti raboty operatorov lesnyh mashin // Bezopasnost' i ohrana truda v lesozagotovi-tel'nom i derevoobrabatyvayuschem proizvodstvah. 2022. № 4. S. 43-48.
