Технология и проектирование гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий 05. 21. 01 Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы На защиту выносятся Основное содержание работы Vд = δм·Пд·n С – остаток от деления V Общие выводы и рекомендации Основные публикации по теме диссертации

Подобный материал:

• Оценка влияния поворотов трелевочного трактора на уплотнение почвогрунтов лесосеки, 324.44kb.
• Обоснование параметров рычажно-кулачкового механизма динамического лункообразователя, 262.54kb.
• Повышение эффективности защитных устройств кабин лесозаготовительных машин 05. 21., 230.09kb.
• Программа вступительного экзамена по специальности 05. 21. 01 Технология и машины лесозаготовок, 119.04kb.
• Обоснование технических решений, повышающих эффективность срезания древесно-кустарниковой, 270.19kb.
• Повышение эффективности силового привода лесозаготовительного оборудования применением, 253.78kb.
• Повышение эффективности технологического процесса сортирования семян хвойных пород, 221.07kb.
• Обоснование параметров обрабатывающе-транспортной системы «харвестер форвардер» (на, 400.34kb.
• Рабочая программа дисциплины «Организация, технология и проектирование предприятий», 333.31kb.
• Программа подготовки к экзамену по дисциплине «организация, технология и проектирование, 42.62kb.

На правах рукописи


ШАДРИН Анатолий Александрович


ТЕХНОЛОГИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИБКИХ

ЛЕСООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ

ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ


05.21.01 – Технология и машины лесного хозяйства

и лесозаготовок


АВТОРЕФЕРАТ


диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


М о с к в а – 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

«Московский государственный университет леса»

Официальные оппоненты-

доктор технических наук, профессор Шегельман Илья Романович доктор технических наук, профессор Ширнин Юрий Александрович доктор технических наук, профессор Рыкунин Станислав Николаевич

Ведущая организация – Воронежская государственная лесотехническая

академия


Защита диссертации состоится « 16 » октября 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.146.03 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, г. Мытищи-5, Московская обл., 1-я Институтская ул., дом 1.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса».


Автореферат разослан «…» _________ 2009 г.


Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Б. М. РЫБИН


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее в России наметилась устойчивая тенденция роста объемов лесозаготовок. По данным НИПИЭИлеспром объемы вывозки древесины увеличились с 78 млн. м³ в 1998г. до 105,0 млн. м³ в 2008г. По прогнозам, суммарные объемы лесозаготовок в ближайшие 5–7 лет должны возрасти до 190–200 млн. м³ в год.

Одновременно с увеличением объемов лесозаготовок возрастает и доля обработки древесного сырья в цехах лесозаготовительных предприятий. Однако загрузка имеющихся и вновь создаваемых мощностей по обработке лесоматериалов в условиях лесозаготовительных предприятий находится на сравнительно низком уровне. Исследованиями установлено, что по ряду производств уровень загрузки станков в лесообрабатывающих цехах может снижаться до 30 %. Низкая загрузка станков и оборудования в лесообрабатывающих цехах лесозаготовительных предприятий обусловлена тем, что технологические процессы по обработке древесины, как правило, построены без учета особенностей их функционирования. К таким особенностям, прежде всего, относятся постоянное изменение таксационных характеристик разрабатываемых лесосек, что приводит к неравномерности объемного выхода определенных видов сортиментов и изменчивости размерных и качественных параметров обрабатываемого древесного сырья, колебание объемов лесозаготовок в течение года, изменение спроса на рынке лесопродукции и ряд других факторов.

Анализ состояния и перспектив развития лесопромышленного производства показывает, что наиболее полно и рационально использовать лесные ресурсы и добиться максимального экономического эффекта возможно путем создания в рамках лесозаготовительного предприятия современного лесообрабатывающего производства, размещаемого на нижних лесопромышленных складах. При этом на лесопромышленных складах выполняются не только складские операции – разгрузка, штабелёвка и погрузка, а главным образом технологические – производство пилопродукции, круглых и колотых лесоматериалов, технологической и топливной щепы, товаров народного потребления, энергетическое использование древесного сырья и т.д. По своей сложной структуре современный лесопромышленный склад является лесообрабатывающим заводом с комплексной механизацией и частичной автоматизацией производства и глубокой переработкой древесного сырья.

Кроме экономической целесообразности, развитие лесообрабатывающего производства позволяет решать важную социальную проблему – создание дополнительных рабочих мест в поселках лесозаготовителей.

Развитие лесообрабатывающего производства способствует также изменению сырьевой направленности экономики лесной индустрии вследствие уменьшения в поставках потребителям доли круглых лесоматериалов и, соответственно, увеличение объемов предложений по поставкам изделий из древесины, полученных в результате глубокой переработки древесного сырья.

В современных условиях хозяйствования прогрессивным является такое производство, которое активно и динамично реагирует на меняющиеся условия его функционирования. Проведенные исследования и прогноз развития лесопромышленного производства показывают, что наилучшим образом реагируют на изменения состава обрабатываемого древесного сырья и спроса на рынке лесопродукции гибкие лесообрабатывающие процессы (ГЛП). Эти процессы позволяют рационально обрабатывать древесное сырьё, исключить простои оборудования цеха вследствие отсутствия определенного вида древесного сырья, уменьшить относительную вместимость склада сырья перед цехом и избежать создания излишних запасов готовой продукции за счёт исключения затоваривания складов невостребованной лесопродукцией. ГЛП позволяют решать проблемы конкурентоспособности продукции и обеспечивают высокую рентабельность производства и его эффективность. Однако имеющиеся в настоящее время рекомендации по организации лесообрабатывающего производства справедливы, главным образом, для специализированных цехов, что существенно ограничивает применение этих рекомендаций. Поэтому, исследование гибких лесообрабатывающих процессов и обоснование условий их эффективного функционирования является актуальной проблемой современного лесозаготовительного производства.

В пользу создания гибких лесообрабатывающих производств в условиях лесозаготовительных предприятий свидетельствуют также:

• усиливающаяся индивидуализация запросов потребителей на различные виды лесопродукции, своевременное удовлетворение которых невозможно без высокой гибкости производства;
  
• ужесточение требований потребителей к качеству лесопродукции, что находит своё выражение в расширении практики её сертификации и стремление предприятий к соблюдению международных стандартов качества выпускаемой продукции и стимулирует предприятия на постоянное внесение изменений в технологический процесс с целью его совершенствования;
  
• развитие компьютерных и информационных технологий, что способствует дальнейшему совершенствованию систем управления гибкими лесообрабатывающими процессами, которые становятся экономически доступными средним и малым производителям;
  
• достижение синергетического эффекта при организации гибкого лесообрабатывающего производства за счёт совмещения обработки различных видов лесоматериалов на различную продукцию в едином технологическом процессе, что положительно сказывается на его эффективности.
  

Кроме того, в пользу создания гибких лесообрабатывающих производств свидетельствует увеличение доли древесины от рубок ухода за лесом в общем объёме поступления древесного сырья на лесопромышленные склады, что необходимо учитывать при разработке рациональных способов переработки древесного сырья, в том числе низкосортного и тонкомерного.

Цель работы. Разработка гибких лесообрабатывающих процессов, обеспечивающих повышение загрузки применяемого оборудования и рациональное использование древесного сырья в цехах лесозаготовительных предприятий.

В соответствие с целью исследования в настоящей работе необходимо решить следующие задачи:

• исследовать основные закономерности и особенности функционирования гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий с учетом воздействия на них меняющихся природно-производственных условий и спроса на лесопродукцию. Сформировать основные требования к организации гибких лесообрабатывающих процессов цехов;
  
• разработать классификацию гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий;
  
• разработать математическую модель функционирования гибкого лесообрабатывающего процесса;
  
• провести экспериментальные исследования по определению показателей потоков обработки заготовок в цехах с гибким лесообрабатывающим процессом с учетом надежности станков и размерно-качественных характеристик обрабатываемых сортиментов, а также потоков лесоматериалов на складе древесного сырья перед цехами, а также на складе готовой продукции цехов;
  
• реализовать математическую модель гибкого лесообрабатывающего процесса с целью определения основных характеристик его функционирования;
  
• определить параметры эффективного функционирования гибких лесообрабатывающих процессов;
  
• разработать методику проектирования гибких лесообрабатывающих процессов;
  
• разработать рекомендации, обеспечивающие максимальную загрузку оборудования лесообрабатывающих цехов и рациональное использование древесного сырья с учетом изменений природно-производст-венных условий функционирования лесообрабатывающего производства и спроса на рынке лесопродукции.
  

Методика и методы исследований. В работе применена методика исследований, включающая: анализ литературных источников; анализ и классификацию перспективных технологических процессов и вариантов обработки лесоматериалов в лесообрабатывающих цехах; теоретическую разработку и практическое построение имитационной модели гибкого лесообрабатывающего процесса; использование прогнозных методов оценки спроса на лесопродукцию на основе применения нейрокомпьютерного программирования; экспериментальные исследования работы станков и оборудования лесообрабатывающих цехов, а также древесного сырья, поступающего в цехи на обработку; реализацию моделей и алгоритмов для конкретных вариантов лесообрабатывающих производств; разработку методики расчета запасов на складах сырья и лесопродукции цехов; разработку рекомендаций для целей практического использования.

В работе использованы методы исследования операций, математической статистики и имитационного моделирования на ЭВМ, нейрокомпьютерного программирования. В процессе исследований применялся системный подход при анализе гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий.

Научная новизна.

1. Разработаны математические модели функционирования гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий на основе системного анализа и исследования операций, отличающиеся учетом стохастичности операций, варьирования размерно–качественных параметров обрабатываемого сырья и коньюктуры спроса на рынке лесопродукции.

2. Разработана классификация гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий.

3. Установлены закономерности и математические зависимости воздействия различных факторов на технологические и технико-экономические параметры гибких лесообрабатывающих процессов.

4. Разработаны методы расчета количественных и качественных характеристик и определены критерии эффективности гибких лесообрабатывающих процессов.

5. Предложен коэффициент комбинирования, дающий возможность количественно оценить уровни комбинирования обработки различных видов древесного сырья в цехах с гибкими лесообрабатывающими процессами.

6. Разработаны алгоритмы и программы имитационных моделей на ЭВМ, позволяющие количественно оценить влияние на загрузку оборудования состава обрабатываемого древесного сырья, интенсивности обработки круглых лесоматериалов в цехе, управления потоками лесоматериалов в процессе обработки.

7. Предложен алгоритм применения метода прогнозирования и оперативной оценки производственной ситуации гибкого лесообрабатывающего производства дающий возможность определять параметры его функционирования с учетом изменения состава обрабатываемого в цехе древесного сырья и спроса на рынке лесопродукции.

Практическая значимость работы. Результаты исследования позволяют:

– определять параметры функционирования гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий с учетом состава обрабатываемого сырья, стохастичности выполняемых операций и колебаний спроса на рынке лесопродукции;

– определять вместимости складов сырья и складов лесопродукции лесообрабатывающих цехов, а также вместимости буферных устройств для многофазных технологических линий гибких лесообрабатывающих процессов;

– рассчитать сложные многофазные структуры технологических линий гибких лесообрабатывающих процессов по разработанным программам на ЭВМ;

– применять структурные и классификационные схемы, формулы, графики и рекомендации при проектировании новых и реконструкции действующих гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий, а также в научно-исследовательских работах и в учебном процессе вузов лесного профиля.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм проектирования гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий, позволяющий определять показатели функционирования этих процессов и оценивать их эффективность.

2. Имитационная модель гибкого лесообрабатывающего процесса, учитывающая вероятностный характер воздействия на него внешних факторов и стохастичность выполняемых операций по обработке древесного сырья.

3. Результаты экспериментального анализа функционирования гибких лесообрабатывающих процессов с различными вариантами компоновки станков в технологические линии.

4. Алгоритм прогноза рыночного спроса на лесопродукцию с оценкой воздействия этого спроса на загрузку применяемого оборудования, и на запас готовой лесопродукции цехов перед ее отгрузкой потребителю.

5. Математические модели функционирования, позволяющие определять параметры гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий в широком диапазоне варьирования различных факторов.

6. Результаты математического моделирования и расчета основных параметров гибких лесообрабатывающих процессов при различных вариантах компоновки оборудования в технологические линии и вероятностного характера функционирования лесообрабатывающего производства в условиях лесозаготовительных предприятий.

Апробация результатов работы.

Основные положения и результаты исследований были доложены, обсуждены и одобрены на международных и всероссийских научно-технических конференциях, международных симпозиумах, семинарах, международных выставках, в частности:

• на ежегодных научно-технических конференциях Московского лесотехнического института (Мытищи, 1987–89 гг.), Московского государственного университета леса (Мытищи, 1994–2008 гг.), Санкт-Петербургской лесотехнической академии (Санкт-Петербург, 2002 г.);
  
• всероссийских научно-технических конференциях: «Проблемы лесного комплекса России в переходный период развития экономики» (Вологда, 2002 г.), «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2004 г.);
  
• международных конференциях: «Малоотходные технологии переработки древесины и эффективное использование вторичного сырья» (Москва, 2000 г.), 14 European Biomass Conference and Exhibition – Biomass for Energy, Industry and Climate Protection (Paris, 2005), «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2006 г.);
  
• международном форуме «Лесопромышленный комплекс на рубеже веков» (Санкт-Петербург, 2003 г.);
  
• международном симпозиуме «Formec – 96» (Москва, 1996 г.);
  
• семинарах в рамках выставки «Российский лес» (Вологда – Белозерск – Кириллов, 2002–2006 гг. );
  
• совещаниях: департамент лесопромышленного комплекса Минпромнауки (Москва, 1998 г.), ОАО «Ковровский лесокомбинат» (Ковров, 2005 г.), ОАО «Меленковский леспромхоз» (Меленки, 2005 г.), ООО «Русь» (Йошкар-Ола, 2007 г.).
  

Работа выполнена на кафедре технологии и оборудования лесопромышленного производства Московского государственного университета леса. Экспериментальные исследования проводились на лесозаготовительных предприятиях Республики Карелии, Владимирской и Московской областей, Республики Марий Эл и других областей России.

Реализация научных результатов работы.

Научные результаты реализованы в виде рекомендаций по созданию гибких лесообрабатывающих процессов на лесозаготовительных предприятиях Ивановской, Московской и Владимирской областей, Республики Марий Эл, а также в учебном процессе Московского государственного университета леса в виде ученика, учебных пособий и методических разработок, в лекциях по дисциплине “ Технология и оборудование лесных складов и лесообрабатывающих цехов”, при выполнении курсовых проектов и в дипломном проектировании по специальности “Лесоинженерное дело“.

Результаты диссертационной работы нашли отражение в научных отчетах, которые были выполнены в рамках заказов предприятий и организаций лесной отрасли в 1974-2008 гг.

Публикации. Основное содержание диссертации и результаты выполненных исследований опубликованы в 25 научных статьях, в монографии, в учебнике “Технология и оборудование лесных складов и лесообрабатывающих цехов”, в 5 учебных пособиях и 2 методических разработках для студентов вузов, обучающихся по специальности “Лесоинженерное дело”.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и двенадцати приложений. Содержание работы изложено на 271 стр. машинописного текста, иллюстрировано 87 рисунками и 16 таблицами. Список литературы включает 214 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены общие сведения о лесопромышленном производстве. Рассмотрена целесообразность создания гибких лесообрабатывающих процессов на лесозаготовительных предприятиях. Дано обоснование актуальности темы диссертации, определены цели и задачи исследования, приведена краткая аннотация проделанной работы.

В первом разделе подробно рассмотрены состояние проблемы и задачи исследования. Приведен анализ лесообрабатывающего производства и особенности его организации в условиях лесозаготовительных предприятий, а также обзор исследований гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий.

В работе рассмотрена структура современного лесообрабатывающего производства лесозаготовительного предприятия. Установлено, что дальнейшее его развитие связано с увеличением объёмов обработки древесного сырья в цехах лесозаготовительных предприятий. Показано, что современные нижние лесопромышленные склады являются по составу выполняемых операций сложным лесообрабатывающим производством с участками получения круглых лесоматериалов, выработки пиленой, колотой и круглой короткомерной лесопродукции, технологической щепы, стружки, товаров народного потребления из древесины и т.п., а также участками по использованию древесных отходов и других видов древесной биомассы в том числе поступающих непосредственно с лесосеки (рис. 1).

Сделан вывод, что по своей сложной структуре современный лесопромышленный склад является лесообрабатывающим заводом с комплексной механизацией и частичной автоматизацией производства на основе применения гибких лесообрабатывающих процессов, глубокой переработки древесного сырья и безотходных или малоотходных технологий.



Рис.1. Структура современного нижнего лесопромышленного склада

( лесообрабатывающего завода)

Участки: I – приема древесного сырья; II – производства круглых лесоматериалов; III – обработки круглых лесоматериалов; IV – энергетического использования древесных отходов; V – склад лесопродукции


В работе дан краткий анализ предшествующих исследований по совершенствованию лесообрабатывающего производства в условиях лесозаготовительных предприятий.

Исследования процессов обработки древесного сырья на нижних лесопромышленных складах лесозаготовительных предприятий проводились: МГУЛ (МЛТИ), УГЛТА (УЛТИ, г. Екатеринбург), ЛТА (г. С. - Петербург), АГТУ (АЛТИ, г. Архангельск), ВГЛТА (г. Воронеж), КГТА (СТИ, г. Красноярск), ПетрГУ(г. Петрозаводск), Гипролестранс, КарНИИЛП, ЦНИИМОД, ЦНИИМЭ, Тюменский НИИПЛ и др.

Проведенные исследования показали, что в условиях лесозаготовительных предприятий наиболее целесообразно обрабатывать следующие категории сырья: низкосортное (пиловочник IV сорта и тарные бревна) и низкокачественное древесное сырье и, в первую очередь, мягколиственных пород; тонкомерное сырьё диаметром от 8 до 14 см; сырьё для производства шпал; дровяное сырьё и отходы лесозаготовок,

Характеризуя обработку древесного сырья на нижних лесопромышленных складах необходимо отметить, что при значительной удаленности лесозаготовительных предприятий от центров лесопильно-деревообра-батывающей промышленности, а также при наличии потребности в пиломатериалах и при достаточном количестве пиловочника в общем объёме производства круглых лесоматериалов на нижних лесопромышленных складах лесозаготовительных предприятий организуется лесопиление. По данным ЦНИИМОД в России около 40 % пиломатериалов вырабатывается лесозаготовительными предприятиями.

Анализ проведенных ранее исследований в области технологии лесообрабатывающего производства лесозаготовительных предприятий показал, что одним из путей его совершенствования является создание на нижних лесопромышленных складах цехов с гибкими лесообрабатывающими процессами, обеспечивающими повышение загрузки применяемых станков и оборудования, а также рациональное использование древесного сырья.

В ряде работ отмечается, что создание цехов с гибким лесообрабатывающим процессом целесообразно: при наличии схожих технологических операций в процессе обработки различных видов древесного сырья; при небольшом объеме обработки каждого вида сырья и невозможности в связи с этим полностью загрузить оборудование. Однако остаются не исследованными вопросы загрузки станков в зависимости от изменения состава обрабатываемого сырья с учетом вероятностного характера выполняемых операций, параметров обрабатываемых лесоматериалов и спроса на рынке лесопродукции. Не определены условия эффективного функционирования гибких лесообрабатывающих процессов в цехах на нижних лесопромышленных складах лесозаготовительных предприятий.

Обзор работ по моделированию и оптимизации лесообрабатывающих процессов в цехах лесозаготовительных предприятий показал, что для решения поставленных задач широко используются методы, основанные на статистическом анализе фактических производственных данных с применением вычислительной техники. Одним из эффективных методов такого анализа являются математические методы и модели исследования операций. Анализ работ ряда авторов показал, что применение вероятностных методов в научных исследованиях лесообрабатывающих процессов в условиях лесозаготовительных предприятий позволяет успешно решать поставленные задачи и дает положительные результаты. С учетом этого, были сформулированы основные задачи исследования гибких лесообрабатывающих процессов.

Для исследования гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий необходимо выполнить следующее: провести анализ операций, выполняемых в лесообрабатывающих цехах на лесных складах лесозаготовительных предприятий; установить структуру взаимодействия операций в исследуемых процессах; указать возможные варианты обработки древесины в лесообрабатывающих цехах; провести анализ лесообрабатывающих процессов в цехах лесозаготовительных предприятий; по результатам анализа дать классификацию гибких лесообрабатывающих процессов в цехах лесозаготовительных предприятий; провести формализацию исследуемых процессов и на ее основе разработать математическую модель гибкого лесообрабатывающего процесса цехов лесозаготовительных предприятий; выполнить сбор и математическую обработку производственных данных потоков лесоматериалов в технологических линиях лесообрабатывающих цехов и продолжительности циклов обработки древесного сырья; сравнить результаты теоретических исследований с фактическими данными, полученными в производственных условиях в лесообрабатывающих цехах лесных складов; провести экспериментальные исследования по определению размерно-качественных параметров обрабатываемых сортиментов; на основе результатов экспериментальных исследований реализовать имитационную модель гибкого лесообрабатывающего процесса с целью определения основных характеристик его функционирования; оценить экономическую эффективность создания гибких лесообрабатывающих процессов в цехах на нижних лесопромышленных складах лесозаготовительных предприятий; разработать рекомендации для внедрения полученных результатов на лесопромышленных предприятиях.

В соответствии с целью и поставленными задачами разработаны основные этапы исследования и последовательность их выполнения.