Технология и проектирование гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий
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.
Второй раздел посвящен анализу лесообрабатывающих операций, выполняемых в цехах лесозаготовительных предприятий, разработке классификационных признаков гибких лесообрабатывающих процессов с учетом особенностей их функционирования и последующему моделированию рассматриваемых процессов.
При системном анализе и моделировании необходим этап их формализации с подробным рассмотрением лесообрабатывающих процессов и установлением всех факторов, влияющих на эти процессы, с учетом их отличий и особенностей.
Моделирование реального лесообрабатывающего процесса требует углублённого исследования производственных систем, их свойств и особенностей функционирования в различных, меняющихся производственных условиях.
Изменение номенклатуры обрабатываемых лесоматериалов и номенклатуры выпускаемой продукции требует построения лесообрабатывающих процессов, способных оперативно адаптироваться к постоянно меняющимся условиям их функционирования. Этому требованию удовлетворяют гибкие лесообрабатывающие процессы лесозаготовительных предприятий. При этом гибкость лесообрабатывающего процесса во многом является средством, обеспечивающим устойчивость всего производственного процесса, которая определяется уровнем стабильности выходных характеристик (объёма обработки древесного сырья в цехе, объёма выхода готовой продукции, номенклатуры, качества и стоимости продукции).
Исследованиями установлено, что на производственный процесс лесообрабатывающего цеха оказывается внешнее воздействие как со стороны снабжения цеха требуемыми видами древесного сырья, так и со стороны рынка лесопродукции цехов (рис. 2). Это воздействие носит случайных характер и приводит к соответствующим колебаниям, как производительности отдельных машин, так и всего лесообрабатывающего производства.
Рис. 2. Схема воздействия внешних случайных фактов на производственный процесс лесообрабатывающего цеха
Интенсивность внешних воздействий возрастает с уменьшением объемов производства и с увеличением номенклатуры обрабатываемых лесоматериалов и выпуска готовой лесопродукции.
Отличительной особенностью гибкого лесообрабатывающего процесса является возможность обработки в общих технологических потоках различных по назначению сортиментов на различную продукцию. Такая организация лесообрабатывающего производства позволяет дозагружать оборудование цеха дополнительным объемом древесного сырья в случае перебоев в снабжении цеха определенными видами сырья. Кроме того, на загрузку станков в лесообрабатывающих цехах оказывает влияние дискретность принятия решения при определении потребного их количества. При этом, за счет округления в большую сторону принятого значения количества станков, возникает необходимость их дозагрузки дополнительным сырьем.
При дозагрузке оборудования цеха с гибким лесообрабатывающим процессом, общий объем поступления сырья на обработку будет равен
Vобщ. = V+Vд, (1)
где Vобщ. – общий объем обработки сырья в цехе, м3;
V – объем обработки основного вида сырья, м3;
Vд – дополнительный объем обработки сырья за счет подачи в цех других по назначению сортиментов, м3.
Дополнительный объем обработки сырья в цехе зависит от величины снижения загрузки технологических линий вследствие нехватки основного вида сырья, производительности технологических линий цеха на новом (дополнительном) виде сортиментов и количества технологических лесообрабатывающих линий в цехе:
Vд = м·Пд·n, (2)
где м – снижение загрузки технологической линии цеха;
Пд – производительность технологической линии на дополнительном (новом) виде сортиментов, м3;
n – количество технологических линий в цехе.
Значение М определяется по следующей формуле
, (3)
где V – объем обработки основного вида сырья в течение смены, м3;
Псм – сменная производительность технологической линии на основном виде сортиментов, м3;
С – остаток от деления V на Псм,
0 C 1. (4)
Таким образом, дополнительный объем выпуска готовой продукции в комбинированном цехе за счет полной загрузки его станков будет равен:
qд = Vд·k, (5)
где k – коэффициент выхода готовой продукции из дополнительного вида сырья.
Исследования показали, что возможность обработки различных по назначению сортиментов в общих потоках обеспечивается за счет установки в них оборудования универсального (многоцелевого) назначения. При этом функции универсального станка может выполнять любой станок технологического потока (чаще головном), который обрабатывает несколько видов сортиментов. К ним можно отнести круглопильные, ленточнопильные, окорочные станки, рубительные машины и т.д.
На рис. 3 представлены возможные варианты обработки древесины в цехах лесозаготовительных предприятий. На приведенной схеме сплошной линией обведено оборудование, обрабатывающее все виды сырья, поступающие в цех (универсальное оборудование), прерывистой – оборудование, обрабатывающее только часть поступающего сырья. В скобках указано оборудование, которое может быть использовано вместо предыдущего, показанного на схеме. Оборудование, обозначение которого на схеме указано без обводки, обрабатывает только один вид сырья. Схема позволяет при известном составе сырья, предназначенном для обработки на нижнем лесопромышленном складе, и требуемой номенклатуре готовой продукции подобрать лесообрабатывающий цех с соответствующим составом оборудования.
Для оценки уровня комбинирования обработки различных по назначению сортиментов предлагается использовать следующий показатель, который получил название коэффициента комбинирования:
, (6)
где Ki – доля i-го вида сырья в общем объеме обработки древесины в цехе;
Vi, Vобщ – средний объем обработки в цехе i – го вида сырья и общий объем обработки за определенный период времени, м3;
n – количество видов сортиментов, поступающих на обработку в комбинированный цех.
Приведенный коэффициент позволяет количественно оценить уровни комбинирования как отдельных технологических линий, так и цеха в целом. Практически количество видов сортиментов, обрабатываемых в комбинированном цехе, находится в пределах 2…4, хотя возможно и большее их количество. Коэффициент комбинирования для лесообрабатывающих цехов может изменяться в достаточно больших пределах. Однако, как показали проведенные исследования, для большинства комбинированных цехов к имеет значение до 0,5.
Концентрация обработки древесины на нижних лесопромышленных складах, которая достигается путём создания комбинированных цехов, увеличивает интенсивность поступления древесины к рассматриваемым цехам, что позволяет создавать запасы сырья перед цехами меньшей относительной вместимости, вследствие чего сокращаются соответственно и удельные затраты на их создание, а также уменьшается занятость подъёмно-транспортных машин на обслуживании цехов.
 | Рис.3. Варианты обработки древесного сырья в комбинированных цехах: ОС – окорочный станок; ЦС – циркульный станок; РМ – рубительная машина; ЛР – лесорама; ЛС – ленточнопильный станок; МП – маятниковая пила; ШС – шпалорезный станок; ТР – тарная рама; ФБС – фрезерно-брусующий станок; ЦМС – циркульный многопильный станок; ДС – дровокольный станок; ВК – станок для выколки гнили; ДШ – древошерстный станок; УК – станок для утилизации коры |
Анализ проведенных исследований показывает, что гибкость лесообрабатывающего производства, обеспечивающая его способность адаптироваться к изменяющимся условиям функционирования, может быть достигнута за счет реализации в процессе производства основных видов гибкости, тесно связанных между собой. При этом различают технологическую гибкость и гибкость, связанную с переналадкой производственной системы. Эти основные признаки гибкости связаны с маршрутной, настроечной и номенклатурной видами гибкости, а также с гибкостью объемов выпуска готовой продукции цехов. Взаимосвязь различных видов гибкости лесообрабатывающего процесса обеспечивает его универсальность и имеет признаки классификации, характерные для лесозаготовительных предприятий.
Разработана классификация гибких лесообрабатывающих процессов, которая позволяет определить основные характеристики цехов и воспользоваться ими при анализе и моделировании рассматриваемых процессов по обработке древесного сырья (рис. 4).
Рис. 4. Классификация гибких лесообрабатывающих процессов
Лесообрабатывающие цехи являются сложной системой. Исследование таких систем обуславливает необходимость разработки методов их исследования и анализа результатов. При анализе гибкого лесообрабатывающего процесса применен системный подход, в основу которого положено рассмотрение изучаемого процесса как системы, состоящего из взаимодействующих элементов. Системный подход в изучении гибкого лесообрабатывающего процесса предусматривает разработку его математической модели и исследование его свойств методом моделирования.
Для формализации описания и последующего моделирования гибкого лесообрабатывающего процесса его представляют в виде системы,
функционирующей как некое множество агрегатов, подчиненных решению общей задачи. При формализации ГЛП необходимо предварительное изучение структуры составляющих его агрегатов, результатом чего является описание процесса, позволяющее определить количественные характеристики агрегатов, степень и характер взаимодействия между ними, место и значение каждого агрегата в лесообрабатывающем процессе.
Цели моделирования требуют представления гибкого лесообрабатывающего процесса цеха в виде обобщенной структуры с характерными связями между отдельными ее элементами. В соответствии с возможными вариантами гибких лесообрабатывающих процессов в цехах лесозаготовительных предприятий в работе выбран для исследования наиболее общий вариант комбинированного цеха, обладающего потоками со сложной взаимосвязанной и разветвленной структурой.
Структурная схема гибкого лесообрабатывающего процесса, принятая за типовую, представлена на рис. 5.
Рис.5. Типовая структурная схема гибкого лесообрабатывающего процесса
Наличие в типовой структуре лесообрабатывающего процесса участков с последовательным размещением фаз обработки заготовок, участков с разветвлением потоков, наличие взаимосвязей между отдельными технологическими линиями, позволяющими при необходимости передавать заготовки с одной линии на соответствующую фазу другой линии, обработка различных по назначению и составу лесоматериалов в общих технологических потоках, случайный характер параметров обрабатываемого сырья и продолжительности его обработки на отдельных операциях обуславливают рассмотрение лесообрабатывающего процесса комбинированного цеха как сложного объекта моделирования.
Описать функционирование лесообрабатывающих процессов как вероятностных систем можно, применив математические модели и методы исследования операций, которые позволяют установить определенные закономерности в случайных явлениях. Лесообрабатывающий процесс представляется вероятностной задачей, которая может быть решена с помощью теории массового обслуживания.
Гибкий лесообрабатывающий процесс представляет собой сложную систему, классифицировать которую в целом как какую-либо конкретную систему массового обслуживания из классических СМО, описанных в специальной литературе, не представляется возможным. Действительно, технологические линии лесообрабатывающего цеха имеют участки с последовательным размещением фаз обработки заготовок и участки с разветвлением технологического потока в линии. Кроме того, отдельные технологические линии цеха имеют взаимосвязь между собой, что позволяет при необходимости передавать заготовки с одной линии на соответствующую фазу обработки другой линии. Аналитическое описание такой системы, как единой СМО, отсутствует.
Поэтому определить показатели качества функционирования цеха с гибким лесообрабатывающим процессом можно путём последовательного рассмотрения отдельных его участков. В исследованиях А.К. Редькина, А.А. Камусина и других ученых показано, что многие потоки лесоматериалов на нижних лесопромышленных складах могут быть описаны законом Пуассона, то есть являются простейшими и показатели функционирования системы (лесообрабатывающего цеха) можно определить аналитическими методами ТМО.
Участок подачи сырья в цех и обработки его на головных станках можно рассматривать как многоканальную (n 4) СМО с ожиданием, куда поступает поток заявок с интенсивностью и интенсивностью обслуживания (для одного канала). При этом число мест в очереди равно m.
Изложенные выше параметры определяются по следующим формулам:
, 
, (7)
где tc – среднее время между поступлением отдельных сортиментов на обработку в цех;
t1 – время обработки сортимента на головном станке.
Характеристики эффективности обслуживания потока сортиментов, поступающих в цех на обработку, будут следующими:
- заявка получает отказ, если заняты все n каналов (головных станков) и все m мест в очереди
; (8)
- относительная пропускная способность системы
; (9)
- абсолютная пропускная способность СМО
. (10)
Производительность головных станков определится по следующей формуле:
, (11)
где Тсм – продолжительность смены.
Окончательно получим
. (12)
Дальнейшая обработка поступающего в цех сырья ведется многоканальной многофазной системой с взаимосвязью между отдельными технологическими потоками.
Автоматизированная поточная линия с разветвленной взаимосвязанной структурой состоит из нескольких последовательных фаз обработки лесоматериалов. Каждая фаза может состоять из одного или нескольких n (n 4) параллельно работающих агрегатов; i-я фаза состоит из ni агрегатов. Состояние линии в произвольный момент времени как многофазной системы массового обслуживания определяется числом заготовок m в каждой фазе.
Как отмечалось выше, поток заготовок к станкам каждой фазы принято считать простейшим с интенсивностью. Продолжительность обработки заготовок в отдельных фазах имеет экспоненциальное распределение с интенсивностью обработки равной i. В установившемся режиме работы линии коэффициент использования рабочего времени станков i-й фазы будет равен
< 1. (13)
Вероятность того, что за время t будет закончена обработка одной из mi заготовок, находящихся в i-й фазе, равна
mi i t + O(t) при mi < ni, (14)
ni i t + O(t) при mi ni. (15)
Распределение вероятностей числа заготовок в фазах линии будет следующим:
P(mi, …, mk) = P(O, …, O)
, (16)
где a – количество фаз обработки заготовок,
, mi < ni,
b(mi) = (17)
, mi ni.
Из уравнения (16) можно определять вероятность того, что во всех фазах поточной линии нет ни одной заготовки, и все агрегаты по этой причине простаивают
. (18)
Распределение вероятностей числа заготовок для любой фазы или агрегата линии находим суммированием по числу заготовок, которые могут находиться во всех остальных фазах
. (19)
Тогда вероятность того, что в i-й фазе находится mi заготовок, будет равна
. (20)
Определение параметров состояний таких линий аналитическими методами (особенно для многопоточных цехов) требует составления системы специальных матриц состояний и приводит к громоздким вычислениям.
В процессе производства технологическое оборудование лесообрабатывающего цеха с ГЛП формирует поток заявок на выполнение транспортных операций. Обслуживание заявок (пачек лесоматериалов) выполняется одним или несколькими транспортными средствами. В условиях мелкосерийного, гибкого производства затраты времени на обработку пачек лесоматериалов носят стохастический характер. Проведённые исследования показали, что поток заявок на обслуживание транспортной системой также будет случайным. Установлено, что поток заявок на обслуживание транспортной системой технологического оборудования лесообрабатывающего цеха обладает свойствами стационарности, отсутствием последействия и ординарности, т. е. является простейшим. При простейшем потоке интенсивность поступления заявок в систему в единицу времени определяется по формуле:
, (21)
где 
– число заявок от j –го станка, поступивших в транспортную систему за время t;
– вероятность поступления заявок за время t;
n – число станков в лесообрабатывающем цехе.
Среднее число заявок, поступающих в транспортную систему за единицу времени, определяется производительностью отдельных станков лесообрабатывающего цеха. Для простейшего потока с интенсивностью интервал между соседними событиями имеет распределение с плотностью
. (22)
Таким образом, показатели качества функционирования гибкого лесообрабатывающего процесса при простейших потоках лесоматериалов могут быть получены методами ТМО. Однако, сложная структура технологического процесса цехов, наличие в лесообрабатывающих линиях участков с разветвлением технологического потока, случайный характер параметров обрабатываемых лесоматериалов и продолжительности их обработки на станках, воздействие на систему потока отказов оборудования не позволяют с достаточной точностью и простотой описать аналитически гибкий лесообрабатывающий процесс.
Поэтому для моделирования данного процесса с целью определения его параметров используется в дальнейшем аппарат стохастической имитации, который обеспечивает достаточную точность получаемого результата и сохранение сложных взаимосвязей между выполняемыми операциями. Имитационная модель гибкого лесообрабатывающего процесса предназначена для определения эксплуатационных параметров его функционирования: коэффициентов загрузки станков, их производительность, выхода готовой продукции и т.д.
Блок-схема модели представлена на рис. 6.
Рис. 6. Укрупненная блок-схема имитационной модели гибкого лесообрабатывающего процесса
Имитационная модель включает в себя блоки моделирования потоков сырья, времени цикла, объема и состава обрабатываемого сырья, объема и вида готовой продукции и отходов, выхода из строя и восстановления станков, текущего времени и определения достаточности числа реализаций.
Для моделирования значений случайных величин временных интервалов и параметров сырья приняты их распределение вероятностей. Модели отдельных операций и связей приняты функциональными.
За статистическую модель размерных параметров сырья (диаметров сортиментов) принято логнормальное распределение.
Интенсивность поступления лесоматериалов к станкам на обработку задана функцией плотности распределения Эрланга с параметром К.
. (23)
Длительности обработки заготовок на станках комбинированного цеха являются случайными величинами и формируются посредством псевдослучайных чисел, которые представляются детерминантом для каждого единичного события.
Интервалы времени между наступлениями отказов и устранениями неисправностей станков заданы функцией плотности экспоненциального распределения.
В модели, кроме того, предусмотрено варьирование состава обрабатываемого сырья по отдельным его видам и пропорциям, количества станков по фазам обработки заготовок, вместимости буферных устройств перед станками. Рассматриваются также различные варианты управления потоками лесоматериалов в процессе их обработки.
Разработанная имитационная модель пригодна для исследования гибких лесообрабатывающих процессов в цехах с различным составом применяемого оборудования и параметрами обрабатываемых лесоматериалов.
Разработан вариант имитационной математической модели гибкого лесообрабатывающего процесса совместной обработки древесного сырья от рубок главного и промежуточного пользования с учётом основных факторов, которые оказывают влияние на производственный процесс переработки деловой древесины (размерно-качественная характеристика сырья, требования к пилопродукции, производительность головного оборудования и др.); подобраны критерии оценки эффективности обработки сырья в цехах лесозаготовительных предприятий. В результате решения задач моделирования предлагается создание рационального производственного процесса переработки древесного сырья от рубок главного пользования и от рубок ухода в общих технологических потоках, что особенно важно при меняющихся экономических условиях функционирования лесозаготовительного производства и объёмов заготовок древесного сырья.
С целью повышения загрузки применяемого оборудования и сокращения запасов сырья и полуфабрикатов в процессе производства в настоящее время находят применение различные методы прогнозирования спроса на лесопродукцию. В современных исследованиях производственных процессов обработки древесного сырья для прогнозирования изменений на рынке лесопродукции находят применение методы нейросетевого прогнозирования, что позволяет синхронизировать объёмы заказов на лесопродукцию (спроса) и объёмы её выпуска. В цехах с гибким лесообрабатывающим процессом при многономенклатурном производстве снижение спроса на один вид лесопродукции может быть компенсировано увеличением выпуска продукции другого наименования, что дает возможность максимально загрузить применяемое оборудование и учитывать как изменения в составе обрабатываемого древесного сырья, так и изменения на рынке лесопродукции.
Алгоритм решения задачи совершенствования лесообрабатывающего производства на основе нейросетевого прогнозирования приведен на рис. 7.
Рис. 7. Алгоритм совершенствования лесообрабатывающего производства на основе прогнозирования спроса на лесопродукцию
Для технико-экономической оценки параметров функционирования лесообрабатывающих процессов в цехах лесозаготовительных предприятий приняты удельные приведенные затраты и прибыль.
В третьем разделе приводятся результаты экспериментальных исследований размерно-качественных параметров древесного сырья и параметров потоков лесоматериалов в цехах, выполненных с целью проверки теоретических гипотез, принятых при математическом моделировании гибких лесообрабатывающих процессов.
Методикой экспериментального исследования предусматривалось: определение параметров потоков лесоматериалов на складах древесного сырья и готовой продукции цеха; определение размерно-качественных характеристик сырья, поступающего на обработку в лесообрабатывающий цех; определение интервалов времени между поступлениями отдельных сортиментов на станки технологической линии цеха; определение продолжительности циклов обработки сортиментов на станках.
При планировании экспериментов учитывались факторы, которые могли повлиять на показатели потоков сырья. При этом были учтены факторы времени, месторасположения, природно-производственные условия.
В качестве объектов исследования были выбраны лесообрабатывающие цехи, технологические линии которых включали в себя окорочные, круглопильные и ленточнопильные станки, лесопильные рамы, группы станков для производства мелких пиломатериалов, рубительные машины.
Экспериментальные исследования проводились в Шуйско-Виданском и Кондопожском лесозаготовительных предприятиях Республики Карелия, на предприятиях Владимирской, Ивановской и Московской областей, республик Коми, Марий-Эл и др. Выбор предприятий обуславливался особенностями их производственной деятельности, в частности, эксплуатацией истощенных лесонасаждений, что приводит к снижению выхода отдельных видов сортиментов, например таких, как шпальные или пиловочные брёвна. Поэтому, для дозагрузки оборудования лесообрабатывающих цехов на предприятиях была организованна совместная обработка различных по назначению сортиментов в общих технологических потоках.
Наблюдения проводились в 1978–2006 годах. Математическая обработка экспериментальных данных включала следующие этапы: установление общих характеристик потоков лесоматериалов в лесообрабатывающих цехах; построение гистограмм эмпирических распределений случайных величин и проверка гипотез об их законах распределений по критерию 2 Пирсона; установление эмпирических зависимостей между параметрами цикла обработки лесоматериалов на станках цехов. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием триал-версии программной среды Statistica и Excel. Результаты экспериментальных исследований размерно-качественных характеристик древесного сырья и параметров потоков лесоматериалов приведены в табл. 1. Размерные параметры обрабатываемых лесоматериалов можно аппроксимировать нормальным и логарифмически нормальным законами распределений. Потоки древесного сырья соответствуют следующим типам распределений: нормальным, пуассоновским, эрланговским и экспоненциальным.
Результаты экспериментальных исследований использованы при моделировании гибких лесообрабатывающих процессов, а также при разработке методов оперативного управления потоками лесоматериалов.
Примечание: В числителе - количество рядов лесоматериалов, соответствующих теоретическому закону распределения; в знаменателе - количество рядов, не соответствующих теоретическому распределению.
Операции на складах готовой продукции являются связующими между лесообрабатывающими цехами и отгрузкой лесопродукции этих цехов. Для условий Ковровского лесокомбината были получены производственные данные ежедневных объемов поступления лесопродукции на склад и ее отгрузки со склада, которые использовались при расчетах требуемой вместимости складов готовой продукции цехов с учетом прогнозируемого спроса на лесопродукцию.
Интервалы времени между поступлениями лесоматериалов на обработку к станкам могут быть аппроксимированы распределением Эрланга с параметром К = 9. Распределение интервалов времени устранения неисправностей и безотказной работы станков не противоречит экспоненциальному закону распределения. Были получены расчетные формулы для определения продолжительности обработки заготовок на станках как функции от размерно-качественных параметров сырья, формирующихся как случайные величины.
а  | б  |
Рис. 8. Пример гистограмм и теоретических распределений, полученных при обработке экспериментальных данных: а– диаметра пиловочных бревен, от рубок главного пользования; б– продолжительности интервалов времени поступления бревен на делительный станок
Время обработки непрерывного потока лесоматериалов (полуфабрикатов) в отделении мелких пиломатериалов и в рубительной машине рассчитывается в зависимости от интенсивности обработки заготовок на станках этих участков.
В четвертом разделе приведен анализ результатов имитационного моделирования гибкого лесообрабатывающего процесса в цехах с различным составом обрабатываемого сырья и применяемого оборудования. Имитационное моделирование проведено для исследования влияния на загрузку технологических линий цеха: вместимостей складов сырья и готовой продукции цеха; вместимостей буферных устройств перед станками; состава обрабатываемого сырья; интенсивности обработки сырья; управления потоками лесоматериалов; размерных параметров сырья; показателей надежности станков. Кроме того определена зависимость объема выхода готовой продукции лесообрабатывающего цеха от состава обрабатываемого сырья. Также установлено влияние продолжительности интервалов поступления заготовок к станкам на производительность технологической линии.
Было установлено, что для наиболее полной загрузки технологической линии достаточная вместимость буферных устройств составляет: перед делительным станком – 6…8 штук заготовок; перед станками отделения мелких пиломатериалов – 0,6…0,8 м3, перед рубительной машиной – 0,2 м3. Гибкая взаимосвязь между станками технологической линии посредством буферных устройств указанных вместимостей позволяет повысить ее загрузку на 20 – 25 % по сравнению с жесткой взаимосвязью между станками.
При обработке различных по назначению сортиментов производительность входящих в технологическую линию станков будет также различной. Поэтому при совместной обработке в комбинированном цехе нескольких видов сортиментов производительность технологической линии цеха будет отличаться от той производительности, которая соответствует обработке однородных лесоматериалов. Загрузка отдельных станков в линии будет также меняться в зависимости от изменения состава обрабатываемого сырья. Как показали проведенные экспериментальные исследования, в технологической линии цеха с головным делительным станком наиболее чувствительным к изменениям в составе сырья является участок «делительный станок – отделение мелких пиломатериалов». Недостаточная интенсивность обработки лесоматериалов в отделении мелких пиломатериалов (ОМП) оказывает сдерживающее влияние на работу смежного делительного станка (ДС) и линии в целом. Поэтому изменение загрузки станков, входящих в технологическую линию лесообрабатывающего цеха, при различных составах обрабатываемого сырья производится в зависимости от интенсивности обработки лесоматериалов в ОМП. Влияние состава сырья на загрузку ДС и ОМП показано на рис. 9.
На рисунках здесь и далее в дробном обозначении кривых указано: в числителе – доля шпальных бревен в общем объеме обработки древесного сырья в цехе в процентах; в знаменателе – доля тарных бревен.
Изменение загрузки окорочного станка (ОС) и рубительной машины (РМ) при различных составах обрабатываемого сырья показано на рис. 10.
Из графиков видно, что коэффициент загрузки ДС увеличивается с увеличением доли шпального сырья в общем объеме обработки и интенсивности обработки лесоматериалов в ОМП. Точки пересечений линий, характеризующих загрузку ДС и ОМП при равных составах сырья соответствуют минимальным взаимным простоям этих станков в технологической линии цеха, что обеспечивает функционирование лесообрабатывающего процесса в режиме близком к оптимальному.
Коэффициенты загрузки окорочного станка (ОС) и рубительной машины (РМ) имеют резервы их повышения. При определенных условиях один окорочный станок за счет его полной дозагрузки может обрабатывать дополнительный объем сырья при поломках параллельных станков в многопоточном цехе. С целью повышения коэффициента загрузки РМ необходимо дополнительно загружать ее другими видами лесоматериалов, что возможно при создании комбинированных цехов.
| Рис. 9. Изменение загрузки ДС и ОМП при различных составах сырья и интенсивности обработки лесоматериалов в ОМП | Рис. 10. Изменение загрузки ОС и РМ при различных составах сырья и интенсивности обработки лесоматериалов в ОМП |
Загрузка технологической линии в целом будет определяться загрузкой ДС. В работе оценено влияние размерных параметров обрабатываемых лесоматериалов на загрузку станков в комбинированном цехе. Установлено, что загрузка станков существенно не меняется с изменением размерных параметров обрабатываемых сортиментов в диапазоне варьирования их средних значений.
Интенсивность обработки сырья в лесообрабатывающем цехе в установившемся режиме его работы зависит от количества технологических линий в цехе. Важным резервом повышения загрузки оборудования является возможность установления взаимосвязи между двумя или более параллельно расположенными линиями и станками. Такая связь позволяет направлять поток заготовок, минуя неисправный станок, к работающему идентичному станку другой линии. Загрузка технологической линии с увеличением числа линий по обработке сырья возрастает. В двухпоточном цехе загрузка технологической линии повышается на 7…8 % по сравнению с однопоточным цехом. В трех поточном цехе загрузка станков повышается еще на 2…3 %. Возрастание коэффициентов загрузки станков в многопоточном цехе обеспечивается за счет снижения вероятности одновременного простоя взаимосвязанных линий и станков.
В работе оценивается влияние управления потоками лесоматериалов на загрузку технологических линий в комбинированном цехе с гибким лесообрабатывающим процессом. В реальных производственных условиях не всегда удается достаточно быстро перестроить технологическую линию с учетом изменяющегося состава обрабатываемого сырья таким образом, чтобы обеспечить требуемую интенсивность обработки заготовок на отдельных операциях. Например, при ограниченной суммарной производительности станков ОМП лесообрабатывающего цеха, не обеспечивающей требуемую интенсивность обработки поступающих заготовок, возникают простои делительного станка и, следовательно, всей технологической линии. Поэтому, с целью исключения простоев линии по указанным причинам, предлагается такое управление потоками лесоматериалов в процессе их обработки, при котором полученные на ДС деловые горбыли и сегменты в случае переполнения буферного устройства перед отделением мелких пиломатериалов (БМомп) минуют это отделение и совместно с неделовыми лесоматериалами поступают в РМ для измельчения на технологическую щепу. При этом ОМП перестает быть участком технологической линии, сдерживающим ее загрузку и производительность. Построенный таким образом технологический процесс обеспечивает минимальные простои всех станков технологической линии лесообрабатывающего цеха.
На рис. 11 показана зависимость загрузки ОС и ДС от интенсивности обработки лесоматериалов в ОМП при различных вариантах управления потоками лесоматериалов и различных составах обрабатываемого сырья.
 | Рис. 11. Изменение загрузки ДС и ОС от интенсивности обработки лесоматериалов в ОМП при различных вариантах управления потоков лесоматериалов: режим моделирования I – ДС останавливается при переполнении БМомп; режим моделирования II – ДС не останавливается при переполнении БМомп |
Из графика (рис. 11) видно, что если ДС не простаивает из-за переполнения буферного магазина БМомп, то независимо от интенсивности обработки лесоматериалов в ОМП коэффициенты загрузки ОС и ДС являются максимальными.
На загрузку технологических линий лесообрабатывающего цеха существенное влияние оказывает надежность применяемых станков. Было установлено, в частности, что для компенсации неравномерности циклов обработки заготовок требуется вместимость буферного устройства между делительным станком и отделением мелких пиломатериалов 0,1 м3. С учетом влияния отказов по причине ненадежности станков требуемый запас заготовок перед ОМП возрастает до 0,6-0,8 м3. Наименее надежным станком в технологической линии цеха является ДС. Установлено, что загрузку технологической линии можно существенно повысить, увеличивая надежность ДС до уровня, когда интенсивность его отказов (ОДС= 0,059 отк/час ) будет уменьшена до интенсивности отказов станков ОМП ( ОДС = ОМП = 0,022 отк/час). При этом загрузка линии возрастает на 10-12 %. При совместном повышении надежности ДС и станков ОМП до уровня надежности ОС ( ООС = ОДС = ООМП =0,0166 отк/час) загрузка технологической линии возрастает еще на 2-3 %. Установлено также, что при увеличении интенсивности восстановления ДС с 0,666 рем/час до 2,00 рем/час загрузка линии возрастает на 7 %.
При формировании гибкого лесообрабатывающего процесса решаются задачи рациональной компоновки оборудования в цехе, обеспечения станков сырьем и полуфабрикатами, выбора транспортной системы и количества транспортных единиц. При обслуживании нескольких станков одним транспортным средством повышается загрузка этого транспортного механизма, но увеличивается вероятность простоя станков в ожидании обслуживания. Станки в технологическом потоке цеха при их гибкой компоновке выполняют операции независимо друг от друга. Передача пачек заготовок от станка к станку осуществляется с помощью ПТМ, как правило, подвесного типа. В работе приведены результаты расчёта коэффициента загрузки подвесной ПТМ (кран-балки) в зависимости от интенсивностей потока заявок µп на ПТМ и обслуживания этих заявок µ0, а также от количества станков в лесообрабатывающем цехе. Как показывают расчёты, в зоне действия одного ПТМ целесообразно размещать до 4–5 единиц лесообрабатывающего оборудования. При этом максимальная загрузка применяемого оборудования наблюдается при соотношении µп /µ0 = 0,5 – 0,6. В работе применен метод нейрокомпьютерного прогнозирования для определения вместимости склада готовой продукции лесообрабатывающего цеха. На примере лесопильного цеха Ковровского ЛК (Владимирская обл.), был составлен прогноз отгрузки пиломатериалов на один день вперёд. Это дает возможность планировать производство пиломатериалов таким образом, чтобы на лесном складе перед отгрузкой лесопродукции не накапливался излишний запас, не востребованный рынком. На рис. 12 приведены прогнозные ежедневные значения запаса пиломатериалов на складе перед отгрузкой, полученные по спрогнозированным ежедневным объёмам производства лесопильного цеха.
Из графика (рис. 12) видно, что на лесопромышленном складе можно поддерживать минимальный запас пилопродукции, который обеспечивается производством и создается с учетом объёмов отгрузки (спроса) пиломатериалов. На графике также показан фактический запас пиломатериалов, ожидающих отгрузки. Показано, что фактические объемы хранения пиломатериалов на складе, созданные без учета прогнозируемого спроса, в несколько раз превышают ежедневные объёмы производства и отгрузки лесопродукции.
Рис. 12. Прогнозные и фактические ежедневные значения запаса пиломатериалов
перед их отгрузкой на лесном складе Ковровского ЛК:
1 – запас; 2 – производственный прогноз; 3 – склад
Пятый раздел посвящен экономической оценке создания гибких лесообрабатывающих процессов в цехах лесозаготовительных предприятий.
Оценка эффективности функционирования гибкого лесообрабатывающего процесса рассмотрена на примере следующих вариантов:
– определение экономической эффективности повышения загрузки станков лесообрабатывающего цеха за счёт обработки различных по назначению сортиментов в общих технологических потоках;
– определение экономической эффективности концентрации различных по назначению лесообрабатывающих производств (цехов) в едином комбинированном цехе.
При определении экономической эффективности повышения загрузки оборудования лесообрабатывающего цеха для примера был рассмотрен цех по производству пилопродукции – брусьев, шпал и мелких пиломатериалов. Изменение удельных приведённых затрат в зависимости от уровня снижения загрузки оборудования цехов при различных объёмах производства представлено на графике (рис. 13). Дозагрузка оборудования цехов другими по назначению сортиментами обеспечивает снижение приведённых затрат на обработку сырья в среднем на 20...25 %. В работе также определена экономическая эффективность создания лесообрабатывающих цехов по критерию прибыли на единицу условной продукции.
| Рис.13. | Зависимость удельных приведенных затрат на обработку сырья в лесообрабатывающем цехе Зпр от уровня загрузки станков шпальным сырьем (1 – для однопоточного цеха, 2 – для двухпоточного цеха) |
При определении экономической эффективности концентрации различных по назначению лесообрабатывающих производств в едином комбинированном цехе было проведено сравнение технико-экономических показателей с соответствующими показателями работы специализированных цехов.
Установлено, что экономически целесообразна концентрация специализированных цехов с малыми объёмами производства и схожими выполняемыми операциями в единые комбинированные цехи с гибким лесообрабатывающим процессом. Экономический эффект при этом достигается за счёт снижения удельных капиталовложений на строительство цехов и повышения производительности лесообрабатывающих линий. Наибольший экономический эффект достигается при объединении однопоточных цехов. Эффективно объединение одно- и двухпоточного цехов.
Используя методику экономического расчёта гибких лесообрабатывающих процессов, можно дать оценку эффективности функционирования их различных вариантов при проведении реконструкции действующих, а также при организации новых производств по обработке древесного сырья в условиях лесозаготовительных предприятий.
Шестой раздел посвящен вопросам проектирования гибких лесообрабатывающих процессов, а также разработке вариантов рациональных технологических схем лесообрабатывающих цехов лесозаготовительных предприятий. Важным условием совершенствования лесообрабатывающего производства является учет обоснованных показателей его функционирования, что позволяет устранить многие возможные недостатки в компоновке линий и систем машин на стадии их проектирования.
Разработаны принципы и последовательность выбора эффективных гибких лесообрабатывающих процессов. Проектирование гибких лесообрабатывающих производств должно осуществляться с учетом постоянно меняющихся природно-производственных условий его функционирования.
Разработаны примеры гибких лесообрабатывающих процессов различных видов лесообрабатывающих производств с вариантами, предусматривающими конвейерную взаимосвязь между станками и гибкую (независимую) компоновку станков в технологических линиях. При этом достигается максимальная загрузка применяемого оборудования и наиболее полное, комплексное использование древесного сырья.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1) В современных условиях роль лесообрабатывающего производства в процессе лесозаготовок постоянно возрастает, что обуславливается необходимостью повышения эффективности работы всего лесозаготовительного предприятия. Однако, недостаточный учет особенностей функционирования лесообрабатывающего производства приводит к тому, что коэффициент загрузки применяемого оборудования в цехах лесозаготовительных предприятий может снижаться до 30 – 40 %.
2) Проблему повышения загрузки применяемого оборудования и рациональное, комплексное использование древесного сырья в цехах лесозаготовительных предприятий, можно решить путем создания гибких лесообрабатывающих процессов, которые позволяют учитывать изменения природно-производственных условий функционирования лесозаготовительного предприятия и характеризуются таксационными показателями эксплуатируемых лесонасаждений, объемами лесозаготовок, выходом отдельных видов сортиментов, применяемыми системами машин, спросом на рынке лесопродукции.
3) Разработана классификация гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий, которая использовалась при разработке математической модели лесообрабатывающего производства.
4) Для оценки уровня комбинирования гибких лесообрабатывающих процессов в цехах лесозаготовительных предприятий предложен специальный показатель, который получил название коэффициента комбинирования.
5) Колебание объемов лесозаготовок в течение года, варьирование в широких пределах размерно-качественных параметров сырья за счет обработки различных по назначению сортиментов в общих потоках требует создания гибких лесообрабатывающих процессов, легко перестраивающихся на обработку различных видов лесоматериалов.
6) Гибкий лесообрабатывающий процесс цеха имеет сложную структуру с вероятностным характером воздействующих факторов. Исследование свойств и структуры системы, характера взаимодействия операций позволило установить, что для моделирования подобных систем наиболее приемлем метод стохастической имитации на ЭВМ.
7)Разработана математическая модель гибкого лесообрабатывающего процесса, базирующаяся на методах вероятностного моделирования с использованием классификационных признаков процесса и параметров потоков обрабатываемых лесоматериалов. Предложенная методика позволяет проводить системный анализ результатов моделирования, рассчитывать загрузку и пропускную способность технологических линий цеха и может быть использована для определения показателей функционирования гибких лесообрабатывающих процессов различного назначения.
8) Анализ результатов экспериментирования с моделью гибкого лесообрабатывающего процесса цеха позволил установить:
а) для обеспечения наиболее эффективной загрузки технологической линии лесообрабатывающего цеха необходимо иметь вместимости буферных устройств на 6…8 штук заготовок перед делительным станком и на 0,6…0,8 м3 древесины перед отделением мелких пиломатериалов. За счет гибкой взаимосвязи станков с достаточными вместимостями буферных устройств, обеспечивается повышение загрузки технологической линии до 20…25 %;
б) возможность обработки в общих технологических потоках различных по назначению сортиментов обеспечивает повышение загрузки станков в лесообрабатывающем цехе до 25…30 % по сравнению со специализированными цехами, особенно при малых объемах обработки древесного сырья;
в) загрузка станков в технологической линии лесообрабатывающего цеха существенно не меняется с изменением размерных параметров обрабатываемых сортиментов в диапазоне варьирования их средних значений;
г) повысить загрузку технологической линии лесообрабатывающего цеха можно путем повышения надежности применяемых станков. Например, снижение интенсивности отказов делительного станка до уровня отказов станков отделения мелких пиломатериалов повышает загрузку технологической линии до 10 %;
д) загрузка станков в цехе с гибким лесообрабатывающим процессом возрастает с увеличением концентрации лесообрабатывающего производства. В двухпоточном цехе загрузка станков на 7…8 % выше, чем в однопоточном цехе. В трехпоточном цехе загрузка станков возрастает на 9…10 % по сравнению с однопоточным цехом;
е) загрузка станков в цехе с гибким лесообрабатывающим процессом может быть существенно повышена за счет оперативного управления потоками лесоматериалов.
8) Экономический анализ эффективности создания цехов с гибким лесообрабатывающим процессом на лесопромышленных складах лесозаготовительных предприятий позволил сделать следующие выводы:
а) наибольший экономический эффект от концентрации различных лесообрабатывающих производств в едином комбинированном цехе достигается при объединении производств с малыми объемами обработки древесного сырья, что обеспечивает повышение загрузки оборудования цехов на 20...30 %;
б) дозагрузка оборудования лесообрабатывающего цеха другими по назначению сортиментами эффективна при любом уровне снижения загрузки технологических линий основным видом древесного сырья.
9) В диссертации дана оценка влияния вместимостей запасов сырья и лесопродукции на загрузку технологических линий лесообрабатывающих цехов. Разработаны алгоритмы расчета вместимостей складов сырья и готовой продукции цехов.
10) Применение нейрокомпьютерного программирования в сочетании с имитационными моделями производственного процесса лесообрабатывающего цеха, позволяет проводить оперативную оценку производственной ситуации, определять параметры его функционирования и создавать гибкие лесообрабатывающие процессы с учетом коньюктуры спроса на рынке лесопродукции.
11) Создание гибких лесообрабатывающих процессов в условиях лесозаготовительных предприятий позволяет организовать производства с глубокой переработкой древесного сырья, способствует решению проблемы полного использования древесных отходов и построить замкнутый лесообрабатывающий процесс с минимальным воздействием на окружающую среду, что обеспечивает благоприятную экологическую обстановку в зоне действия предприятия. В перспективе возможно развитие производств по переработке низкосортного древесного сырья и древесных отходов в автономные энергетические системы, которые за счет энерготехнологического использования древесной биомассы полностью обеспечат потребности промышленного производства и бытового сектора лесных поселков в тепле и электроэнергии. Это особо важно для лесных предприятий, расположенных в северных регионах России и, соответственно, связанных с северным завозом энергоресурсов.
12) Создание гибких лесообрабатывающих процессов в цехах на нижних лесопромышленных складах обеспечивает размещение складов сортиментов перед лесообрабатывающим цехом на общей площадке в зоне действия крана, что позволяет сократить складские площади в 2...3 раза по сравнению с вариантом расположения складов сырья на отдельных площадках.
13) Глубокая переработка древесного сырья, которая обеспечивается организацией гибких лесообрабатывающих процессов, способствует развитию всего лесопромышленного производства и создает позитивную социальную атмосферу на лесных предприятиях вследствие создания дополнительных рабочих мест.
14) Разработана структура современного лесообрабатывающего производства лесозаготовительного предприятия. 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, обеспечивающих глубокую переработку и комплексное использование древесного сырья.
15) Использование методов теории потоков древесного сырья и лесоматериалов позволяет получить количественные оценки эффективности концентрации и комбинирования и их воздействия на лесообрабатывающий процесс. Разработаны рекомендации, повышающие интенсивность потоков лесоматериалов в лесообрабатывающих цехах. Полученные результаты являются исходной информацией для проектирования гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Печатные работы, входящие в перечень изданий, рекомендованных ВАК к публикации при представлении докторских диссертаций
- Шадрин, А. А. Древесина от рубок ухода как сырье для переработки / А А. Шадрин, А. В. Макаренко. – М.: Вестн. Моск. гос. ун-та леса – Лесной вестник.– 1999. – № 1(6) – С.128 – 132.
- Шадрин, А. А. Создание математической модели технологического процесса совместной обработки сырья от главного и промежуточного пользования / А А. Шадрин, А. В. Макаренко. – ИВУЗ – Лесной журнал. – 2000. - № 5-6 – С.135 – 139.
- Кравцова, Л. А. К вопросу использования древесного сырья от рубок ухода / Л. А. Кравцова, А А. Шадрин, А. В. Макаренко. – ИВУЗ – Лесной журнал. – 2000. – № 5-6. – С. 132 – 135.
- Шадрин, А. А. Управление потоками лесоматериалов в комбинированном цехе / А А. Шадрин. – М.: Вестн. Моск. гос. ун-та леса – Лесной вестник. – 2003. – № 5(30) – С. 123–125.
- Шадрин, А. А. Влияние надежности станков на загрузку технологических линий лесообрабатывающих цехов / А А. Шадрин. – М.: Вестн. Моск. гос. ун-та леса – Лесной вестник. – 2003. – № 3(28) – С. 160–161.
- Редькин, А. К. Структура современного лесопромышленного склада / А. К. Редькин, А. А. Шадрин. – М.: Лесная промышленность. – 2005. – № 2. – С. 8–10.
- Редькин, А. К. Гибкие технологические процессы лесообрабатывающих цехов / А. К. Редькин, А. А. Шадрин. – М.: Вестн. Моск. гос. ун-та – Лесной вестник. – 2006. – № 1(43). – С. 65–71.
- Шадрин, А. А. Совершенствование производства продукции лесообрабатывающих цехов с применением методов нейрокомпьютерного программирования / А. А. Шадрин, С. Н. Грибова. – М.: Вестн. Моск. гос. ун-та – Лесной вестник. – 2006. – № 3(45). – С. 96 –101.
- Шадрин А.А. Валочная машина / А.А. Шадрин // Большая Российская энциклопедия: – М.: ОАО «Научное издательство «Большая Российская энциклопедия». – 2006. – т.4. – С. 544 – 545.
- Шадрин А. А. Экономическая оценка эффективности создания комбинированных лесообрабатывающих цехов / А. А. Шадрин. – М.: Вестн. Моск. гос. ун-та – Лесной вестник. – 2007. – № 1(50). – С. 125 –129.
- Шадрин А.А. Гибкие лесообрабатывающие процессы лесозаготовительных предприятий / А. А. Шадрин. – М.: Вестн. Моск. гос. ун-та – Лесной вестник. – 2009. – № 2(65). – С. 108 – 111.
- Шадрин А.А. Транспортное обслуживание станков в лесообрабатывающем цехе при их гибкой компоновке / А. А. Шадрин. – М.: Вестн. Моск. гос. ун-та – Лесной вестник. – 2009. – № 2(65). – С. 106 – 108.
Публикации в журналах, сборниках научных трудов, энциклопедиях, учебниках и учебно-методических пособиях
- Шадрин, А. А. Совершенствование технологического процесса в комбинированных лесообрабатывающих цехах лесозаготовительных предприятий / А. А. Шадрин // сб. науч. тр. – Вып. 104. – М.: МЛТИ, 1978. – С. 28–31.
- Шадрин, А. А. Анализ и моделирование технологических процессов комбинированных лесообрабатывающих цехов/ А. А. Шадрин // сб. науч. тр. – Вып. 142. – М.: МЛТИ, 1982. – С. 64–69.
- Шадрин, А. А. Загрузка оборудования в комбинированном лесообрабатывающем цехе/ А. А. Шадрин // сб. науч. тр. – Вып. 154. – М.: МЛТИ, 1983. – С. 162–165.
- Шадрин, А. А. Пути повышения загрузки оборудования лесообрабатывающих цехов/ А. А. Шадрин // сб. науч. тр. – Вып. 157. – М.: МЛТИ, 1984. – С. 39–40.
- Шадрин, А. А. Комбинированные лесообрабатывающие цехи лесозаготовительных предприятий. В кн. Научно- исследовательские работы за 1981-1985г.г. / А. А. Шадрин // Минлесхоз РСФСР: - М.: Лесная промышленность, 1986. – С. 173 – 176.
- Шадрин, А. А. К вопросу повышения выхода готовой продукции из низкосортного древесного сырья / А. А. Шадрин, Е. И. Прокопенко // сб. науч. тр. – Вып. 267. – М.: МГУЛ, 1993. – С. 38 – 40.
- Шадрин, А. А., Прокопенко, Е. И. Исследование размерно-качественных характеристик древесины / А. А. Шадрин, Е. И. Прокопенко // сб. науч. тр. – Вып. 276. – М.: МГУЛ, 1996. – С. 59 – 61.
- Никишов, В. Д. Комплексное использование древесины: Методические указания / В. Д. Никишов, А. А. Шадрин, В. А. Макуев - М.: МГУЛ, 2002. - 35 с.
- Патякин, В. И., Редькин, А. К., Шадрин, А. А. и др. Технология и оборудование лесных складов и лесообрабатывающих цехов: учебник / под ред. В. И. Патякина. – М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. – 384 с.
- Редькин, А. К. Оптимизация расположения цехов на площадке нижнего склада / А. К. Редькин, В. Д. Никишов, В. Е. Шадрин, А. А. и др. // Проблемы повышения эффективности и качества в лесной и деревообрабатывающей промышленности: сб. науч. тр. – М.: ВНИПИЭИлеспром, 1979. – С. 118–124.
- Редькин, А. К. Совершенствование работы деревообрабатывающих цехов / А. К. Редькин, В. Д. Никишов, В. Е. Шадрин, А. А. и др. // Экономика комплексного использования древесного сырья: сб. науч. тр. – М. : ВНИПИЭИлеспром, 1979. – С. 38–47.
- Редькин, А. К. Экономическая эффективность создания комбинированных цехов на лесных складах леспромхозов/ А. К. Редькин, А. А. Шадрин // сб. науч. тр. – Вып. 177. – М.: МЛТИ, 1986. - С. 117 – 121.
- Редькин, А. К. Лесообрабатывающие цехи: Учебное пособие / А.К. Редькин, В. Д. Никишов, А. А. Шадрин и др. – М.: МЛТИ, 1986. – 73с.
- Редькин, А. К. Гибкий технологический процесс в лесообрабатывающих цехах лесозаготовительных предприятий/ А. К. Редькин, А. А. Шадрин, А. Н. Слинченков// сб. научн. тр. – Вып. 212. – М.: МЛТИ, 1989. – С. 42 – 46.
- Редькин, А. К. Технология и проектирование лесных складов: учеб. пособие для вузов / А. К. Редькин, В. Д. Никишов, А. А. Шадрин, и др. – М. : Экология, 1991. – 288 с.
- Редькин, А. К. Моделирование лесообрабатывающих процессов на ЭВМ: Методические указания/ А. К. Редькин, А. А. Шадрин, А. В. Лаптев. – М.: МГУЛ, 1993. – 28 с.
- Редькин, А. К. Лесообрабатывающие цехи лесозаготовительных предприятий: Учебное пособие / А. К. Редькин, В. Д. Никишов, А. А. Шадрин и др. – М.: МГУЛ, 2005. – 101 с.
- Шадрин, А. А. Технология и оборудование лесозаготовок. Часть 2. Лесообрабатывающее производство: учебное пособие/ А. А. Шадрин – М.: МГУЛ, 2005. – 28с.
- Редькин, А. К. Технология и оборудование лесных складов и лесообрабатывающих цехов: Учебное пособие/ А. К. Редькин, А. А. Шадрин и др – М.: МГУЛ, 2005. – 31с.
- Шадрин, А.А. Лесопильное производство/ А.А. Шадрин// Энциклопедия лесного хозяйства: в 2-х томах. – Т. 1. – М.: ВНИИЛМ, 2006. – С. 388
- Шадрин, А.А. Первичная переработка древесного сырья/ А.А. Шадрин// Энциклопедия лесного хозяйства: в 2-х томах. – Т. 2. – М.: ВНИИЛМ, 2006. – С. 113
Монография
- Шадрин А. А. Комбинированные лесообрабатывающие цехи лесозаготовительных предприятий: монография/ А. А. Шадрин – М.: МГУЛ, 2006.–160 с.
