На правах рукописи

Абрамов Виталий Викторович

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ТРЕЛЕВКИ В МАЛОЛЕСНЫХ РАЙОНАХ

05.21.01 Ц Технология и машины лесозаготовок и

лесного хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия (ВГЛТА).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Заслуженный деятель науки РФ

Пошарников Феликс Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сушков Сергей Иванович

доктор технических наук, доцент

Григорьев Игорь Владиславович

Ведущая организация: Московский государственный

университет леса (г. Мытищи)

Защита диссертации состоится 24 апреля 2009 г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при Воронежской государственной лесотехнической академии (394014, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, зал заседания - аудитория 240)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВГЛТА

Автореферат разослан 20 марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Скрыпников А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач развития лесных предприятий на территориях с истощенными сырьевыми базами является комплексное совершенствование пользование лесом с позиций производственно-экономической и лесоводственно-экологической эффективности. Такой подход важно реализовывать с самого начала проектирования лесосечных работ при обосновании системы машин, формирование которой начинается с выбора техники на ведущей операции. В условиях малолесных районов такой операцией является трелевка, в наибольшей степени определяющая стоимость и трудоемкость всех основных и подготовительных работ, а также негативные экологические последствия в виде повреждений оставляемому подросту и деревьям на лесосеке. Вместе с тем, технология трелевки влияет на лесоводственный результат проводимого ухода за лесом, когда при прокладывании волоков и визиров определенной густоты и размеров из процесса лесовыращивания изымается определенная доля территории.

Принятие решений по выбору эффективной технологии трелевки с обозначенных позиций на сегодняшний день ограничено следующими причинами. Сравнение показателей работы существующих трелевочных средств путем натурного эксперимента очень трудоемкий процесс и при этом достоверность полученных результатов не велика по причине отсутствия идентичных условий его проведения в лесу, а для использования ЭВМ необходима разработка критерия позволяющего комплексно оценивать эффективность трелевки, а также математического аппарата функционирования исследуемой техники и соответствующего им программного обеспечения. При этом получение математических моделей работы трелевочных средств только на основе регрессионного анализа не обеспечивает необходимой чувствительности ко всем существенным факторам влияния природного, технического и технологического характера. Целесообразно подключение имитационного моделирования, позволяющего на основе системного подхода более глубоко изучить различные технологии и получить модели, позволяющие не только адекватно прогнозировать результаты трелевки в широко меняющихся условиях производства и природной среды, но и выполнять направленный поиск ее оптимальных технико-технологических параметров.

Таким образом, разработка обобщенного критерия оценки выполнения трелевки с позиций лесоводственно-экологической и технико-экономической эффективности, соответствующего ему математического аппарата и программного обеспечения прогнозирующего на ЭВМ результаты операции различными способами с возможностью расчета оптимальных технико-технологических параметров является чрезвычайно актуальным для лесного комплекса малолесных районов вопросом, положительное решение которого, представляет большой научный и практический интерес.

Цель работы - повышение эффективности трелевки в малолесных районах путем разработки и обоснования наиболее адаптированной технологии к конкретным условиям производства и природной среды на основе имитационного моделирования и многокритериальной оптимизации технико-технологических параметров.

Объектом исследования являются технологические процессы и оборудование тракторной трелевки древесины.

Предметом исследования являются имитационные модели функционирования трелевочной техники, критерии эффективности выполнения трелевки с технико-экономической и лесоводственно-экологической позиции.

Методы исследования. В процессе исследования использованы теория вероятности и математической статистики, имитационное моделирование, натурные и компьютерные эксперименты, многокритериальная оптимизация.

Научная новизна работы:

- получены математические модели структуризации продолжительности цикла трелевки по технологиям учитывающим особенности малолесных районов, и отличающиеся высокой чувствительностью к основным природным, техническим и технологическим факторам влияния;

- разработаны имитационные модели для расчета производительности трелевки, отличающиеся возможностью направленного поиска оптимальных технико-технологических параметров выполнения операции в широко меняющихся условиях производства и природной среды;

- рассмотрена трелевка леса как объект оптимизации в виде кибернетической системы, отличающейся учетом факторов состояния и управления с позиции технико-экономического и лесоводственно-экологического совершенствования;

- предложен обобщенный критерий оценки эффективности выполнения трелевки, отличающийся одновременным учетом прямых производственных затрат, затрат труда, стоимости прокладывания трелевочных волоков и потерь от их изъятия из процесса лесовыращивания, а также повреждений оставляемого древостоя на лесосеке;

- разработано программное обеспечение для расчета на ЭВМ оптимальных технико-технологических параметров трелевки различными вариантами, отличающееся возможностью технико-экономического и лесоводственно-экологического совершенствования операции на стадии проектирования с последующим выбором наиболее эффективной технологии в конкретных природно-производственных условиях малолесных районов.

Значимость для науки.

Полученные в диссертации аналитические зависимости уточняют и дополняют технологический расчет режимов трелевки. Предложенная кибернетическая система способствует развитию оптимизационных моделей операционных процессов лесосечных работ. Обобщение критерия оценки эффективности трелевки способствует совершенствованию экономико-математических моделей поиска оптимального варианта с учетом ограничений по лесоводственно-экологическим требованиям.

Практическая ценность работы. Разработанные аналитические зависимости продолжительности цикла трелевки позволяют в конкретных природно-производственных условиях малолесных районов обосновать оптимальные способы и режимы трелевки; разработанные имитационные модели обеспечивают возможность адекватного прогнозирования производительности работ на трелевке различными технологическими вариантами в широко меняющихся условиях производства и природной среды; представление трелевки как объекта оптимизации в виде кибернетической системы, позволяет обозначить направления и резервы совершенствования операции применительно к условиям малолесных районов; предложенный критерий оценки эффективности трелевки позволяет комплексно совершенствовать процесс с технико-экономической и лесоводственно-экологической позиции путем обоснования оптимальных технико-технологических параметров; разработанное программное обеспечение позволяет на стадии технологического проектирования выбирать наиболее оптимальный способ и режим трелевки в конкретных природно-производственных условиях.

Научные положения, выносимые на защиту:

• математические модели структуризации продолжительности цикла трелевки по технологиям учитывающим особенности малолесных районов, и отличающиеся высокой чувствительностью к основным природным, техническим и технологическим факторам влияния;
• имитационные модели расчета производительности трелевки позволяющие осуществлять направленный поиск оптимальных технико-технологических параметров выполнения операции в широко меняющихся условиях производства и природной среды;
• общая структура трелевки леса как объект оптимизации в виде кибернетической системы с установлением факторов состояния и управления для комплексного совершенствования операции с позиций технико-экономической и лесоводственно-экологической эффективности;
• обобщенный критерий оценки эффективности выполнения трелевки одновременно учитывающий прямые производственные затраты, затраты труда, стоимость прокладывания трелевочных волоков и потерь от их изъятия из процесса лесовыращивания, а также повреждений оставляемого древостоя на лесосеке;
• программное обеспечение для расчета ЭВМ оптимальных технико-технологических параметров трелевки различными вариантами ее выполнения, отличающееся возможностью технико-экономического и лесоводственно-экологического совершенствования операции на стадии проектирования с последующим выбором наиболее эффективной технологии в конкретных природно-производственных условиях малолесных районов.

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием системного подхода в исследовании технологии трелевки с применением методов планирования многофакторного эксперимента, имитационного моделирования, теории вероятности и математической статистики, а также сходимостью экспериментальных и теоретических данных, апробацией полученных результатов на предприятиях лесного комплекса.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на:

- всероссийской научно-практической конференции с международным участием Организационно-методические вопросы деятельности научно-образовательного центра в области переработки и воспроизводства лесных ресурсов в 2006 г. (г. Воронеж);

- международной конференции Повышение эффективности лесозаготовок малолесных районов России в 2002 г. (г. Воронеж);

- международной научно-практической конференции Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего в 2004 г. (г. Воронеж);

- ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Воронежской государственной лесотехнической академии в 2002-2008 г.

Публикации. Основное содержание работы и результаты выполненных исследований опубликованы в 2 монографиях и 13 научных статьях, включая 2 научные статьи в издании центральной печати рекомендованного ВАК Минобрнауки России и 3 публикации без соавторов.

Реализация работы. По результатам исследований были подготовлены рекомендации по выполнению трелевки в условиях малолесных районов. Кроме этого, результаты работы внедрены в ООО Бутурлиновский лес, Учебно-опытном лесхозе ВГЛТА (г. Воронеж), а также в научно-исследовательской и учебной работе кафедры технология и оборудование лесопромышленного производства при выполнении курсовых проектов по дисциплинам Технология и машины лесосечных работ, Технология и оборудование лесозаготовок, Технология и техника в лесной промышленности и дипломных проектов по специальностям Лесоинженерное дело и Машины и оборудование лесного комплекса.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 266 страницах машинописного текста, из них 148 страниц основного текста и 113 страниц приложений; диссертация иллюстрирована 28 рисунками и 37 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель, научная новизна, выносимые на защиту положения, научная и практическая значимость результатов.

В первом разделе рассмотрено состояние вопроса в области эффективного выполнения трелевки в условиях малолесных районов; анализируется существующая техника и технологии выполнения операции, определены направления и резервы совершенствования трелевки в условиях малолесных районов, сформулированы задачи исследований.

Вопросам исследования технологий и показателей выполнения трелевки посвящены работы ряда крупных советских и российских исследователей: Алябьева В.И., Андреева В.Н., Анисимова Г.Н., Афоничева Д.Н., Барановского В.А., Верхова И.Ф., Герасимова Ю.Ю., Герца Э.Ф., Григорьева И.В., Жукова А.В., Заикина А.Н., Сушкова С.И., Сюнева В.С., Коротяева Л.В., Кочегарова В.Г., Литвинчука Н.Н., Орлова С.Ф., Онучина Е.М., Редькина А.К., Иевиня И.К., Кушляева В.Ф., Макарова Ф.Н., Матюшкина В.З., Мазуркина П.М., Меньшикова В.Н., Муратшина В.М., Некрасова Р.М., Петровского В.С., Пошарникова Ф.В., Прохорова В.Б., Шестакова Я.И., Ширнина Ю.А., Якимовича С.Б., Федоренчика А.С. и других ученых.

Анализ научных исследований определил для малолесных районов актуальность совершенствования трелевки с технико-экономической и лесоводственно-экологической позиции. Основные направления такого совершенствования являются: себестоимость и трудоемкость работ, общая доля трелевочных путей на лесосеке и количество повреждений оставляемому древостою; а резервы находятся на стадии проектирования при обосновании технологии наиболее адаптированной к конкретным условиям производства и природной среды. Основным препятствием такого совершенствования операции является отсутствие единого критерия оценки эффективности трелевки с обозначенных позиций, а также моделей, достоверно прогнозирующих результаты ее выполнения для всего многообразия возможных технологий в широко меняющихся природно-производственных условиях. Создание таких моделей требует более глубокого и всестороннего изучения трелевки на основе теоретических и экспериментальных исследований современными методами.

В итоге были сформулированы следующие задачи исследований:

1.Разработать математические модели структуризации продолжительности цикла трелевки по технологиям учитывающим особенности малолесных районов, и отличающиеся высокой чувствительностью к основным природным, техническим и технологическим факторам влияния;