Россия
Россия
В данной статье рассматривается разработка графо-аналитического метода моделирования технологи-ческих процессов дискретно-непрерывных поточных линий лесопромышленных складов. Предложенный под-ход основан на матричных преобразованиях координат и позволяет аналитически описывать структуру тех-нологических операций с визуализацией в виде графиков зависимости перемещений от времени. Авторами вы-делены два ключевых способа моделирования: суммирование векторов перемещений и суммирование частных значений времени, из которых первый является более эффективным для продольной подачи древесного сырья. Работа акцентирует внимание на текущих проблемах проектирования поточных линий, исторически сложив-шихся методах, а также преимуществах графо-аналитического подхода над традиционными способами. Це-лью исследования является разработка структурированного метода моделирования технологических процес-сов для совершенствования проектирования и оптимизации поточных линий лесопромышленных складов. Ме-тоды исследования включают теоретическое моделирование, аналитическое описание процессов на основе матричных преобразований и графическое отображение результатов. Результаты: Предложен новый метод моделирования, который позволяет упрощать процесс проектирования складской инфраструктуры и повышать его точность. Методика демонстрирует свою эффективность при моделировании работы продольных линий подачи древесного сырья. Область применения: Разработанный подход ориентирован на использование в лес-ной промышленности, однако он может быть адаптирован и для других отраслей с аналогичными технологи-ческими задачами. Заключение: Представленный метод моделирования позволяет оптимизировать проектиро-вание поточных линий, сокращая время и финансовые затраты на экспериментальные разработки. Работа име-ет научную и практическую значимость для развития понятия комплексного использования лесных ресурсов. Работа выполнена в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной про-мышленности и лесного хозяйства».
графо-аналитическое моделирование, матричные преобразования, лесопромышленные склады, дискретно-непрерывные процессы, поточные линии.
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. Григорьев И.В., Григорьева О.И., Никифорова А.И., Глуховский В.М. Перспективные направления раз-вития технологических процессов лесосечных работ // Труды БГТУ. №2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность. 2016. № 2 (184). С. 109-116.
2. Тихонов И.И., Григорьев И.В. Технологический процесс лесосечных работ при вывозке древесины по-лудеревьями // Материалы шестой всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону». Вологда: ВоГТУ, 2008. - Т.1. - С.188-189.
3. Григорьева О.И., Нгуен Ф.З. Перспективная техника для проведения рубок ухода за лесом // Леса Рос-сии: политика, промышленность, наука, образование. материалы научно-технической конференции. 2016. С. 112-114.
4. Патякин В.И., Редькин А.К., Базаров С.М., Бирман А.Р., Бит Ю.А., Григорьев И.В., Шадрин А.А., Че-моданов А.Н. Технология и оборудование лесных складов и лесообрабатывающих цехов: учебник для сту-дентов вузов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 656300 Техноло-гия лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств по специальности 250401 Лесоинженер-ное дело / Москва, Издательство: Московский государственный университет леса - 2008. - 384 с
5. Александров И.К., Григорьев И.В., Иванов В.А., Елизаров Ю.М., Чуднов Ю.Н. Методика определения топливной экономичности бензомоторных пил // Вестник КрасГАУ. 2010. № 2 (41). С. 112-117.
6. Куницкая О.А., Тихонов И.И., Куницкая Д.Е., Григорьев И.В., Земцовский А.Е. Оптимизация процесса раскряжевки хлыстов на лесоперевалочных базах лесных холдингов при выпиловке сырья для мачтопропи-точных заводов // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2014. № 3 (339). С. 86-93.
7. Тихонов И.И., Григорьев И.В., Никифорова А.И., Григорьева О.И. Лесовозный транспорт. Патент на полезную модель RU 119206 U1, 20.08.2012. Заявка № 2012120320/13 от 17.05.2012.
8. Рябухин П.Б., Григорьев И.В., Трушевский П.В., Курочкин П.А., Охлопкова М.К., Жук А.Ю. Постанов-ка задачи поиска оптимальных параметров конструкции установки для групповой раскряжевки пачек по-рубочных остатков // Системы. Методы. Технологии. 2024. № 1 (61). С. 130-137.
9. Рябухин П.Б., Григорьев И.В. Определение натяжения несущего каната гибкого режущего органа в процессе работы установки для пачковой раскряжевки // Системы. Методы. Технологии. 2021. № 4 (52). С. 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. Т. 31. № 5. С. 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. Т. 9. № 12. С. 2175-2188.
12. Сердюк А.И., Рахматуллин Р.Р., Зеленин А.П. Метод циклограмм в исследовании гибких производ-ственных ячеек. модели и алгоритмы: монография – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2009. – 208 с.
13. Коробецкий Ю.П., Рамазанов С.К. Имитационные модели в гибких – Луганск: Изд. ВНУ, 2003. – 280 c.
14. Пигнастый О..М. Основы статистической теории построения континуальных моделей производ-ственных линий // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. Математика. 2014. С. 3-12.
15. Пигнастый О.М., Заруба В.Я. Континуальное моделирование производства на поточных линиях // Мультиконференция по проблемам управления: тезисы докладов 6-ой Всероссийской научно-практической конференции (МКПУ-2013), (Дивноморье, 30 сентября-5 октября 2013 г.). - Ростов -на-Дону: Изд-во Южного федерального университета, 2013. Том. 3 - С. 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, рp.215-221.
17. Акивис М.А. Тензорное исчисление –Изд –во «Наука» , 1972. – 325 с.
18. Воробьев Е.И., Попов С.А., Шевелева Г.И. Механика промышленных роботов: в 3 кн. Кн. 1. Кинема-тика и динамика – М.: Высш. шк., 1988. – 304 с.
19. Крейнин, Г. В. Кинематика, динамика и точность механизмов – Справочник. – М.: Машинострое-ние, 1984. – 224 с.
20. Лозовой, В. А. Матричное преобразование координат применительно к структурному анализу рас-кряжевочных линий // Лесоэксплуатация: межвуз. сб. научн. тр. – Красноярск: СибГТУ, 1998. С. 133-139.
21. Лозовой В.А., Никончук М.Ю., Литвинов Д.Ю. Концепция моделирования поточных технологий ме-тодом матричных преобразований координат // Хвойные бореальной зоны. 2022. Т. 40. № 6. С. 552-557.
22. Григорьев И.В., Куницкая Д.Е. Уменьшение количества отходов основного производства древесно-подготовительных цехов за счет автоматизации основных операций // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2015. Т. 3. № 2-2 (13-2). С. 409-412
23. Григорьев И.В., Григорьева О.И. Постановка задачи экономической оценки улучшения условий труда и безопасности работы операторов лесных машин // Безопасность и охрана труда в лесозаготови-тельном и деревообрабатывающем производствах. 2022. № 4. С. 43-48.
