Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы формирования древесных материалов в производствах клееной продукции и задачи исследования 14
1.1. Перспективы развития производств клееной продукции из цельной древесины 14
1.2. Анализ результатов исследований, посвященных проблеме раскроя древесины и формированию из нее клееной продукции 19
1.3. Моделирование древесных стволов и проявление закономерностей в морфологии растений 27
1.4. Выводы и задачи исследований 33
2. Теоретический анализ закономерностей формирования размерно-качественных характеристик древесного сырья 36
2.1. Структурно-морфологические предпосылки построения модели древесного ствола 36
2.2. Бионический подход в построении математической модели образующей ствола дерева 39
2.3. Синтез морфологических признаков и внутренней структуры ствола дерева 45
2.4. Определение типоразмерной структуры заготавливаемых хлыстов 53
2.4.1. Определение типоразмерной структуры заготавливаемых хлыстов по таксационным данным древостоя 54
2.4.2. Определение типоразмерной структуры заготовленных хлыстов 65
2.5. Размерные характеристики сортимента в зависимости от места его вырезки из хлыста 68
2.5.1. Аналитическое решение задачи об определении центров базирования круглых лесоматериалов перед обработкой 82
2.5.2. Нахождение центров базирования круглых лесоматериалов перед обработкой по результатам обмеров 88
2.6. Выводы 94
3. Размерно-качественные характеристики исходного древесного сырья и структура баланса его объемов 97
3.1. Проверка соответствия морфометрической модели древесного ствола с фактическими данными 97
3.2. Структура баланса компонентов древесного сырья при раскрое хлыстов и подготовке древесины к обработке 114
3.3. Выводы 130
4. Исследование процесса раскроя древесины на пилопродукцию, предназначенную для изготовления клееных брусьев 132
4.1. Типизация схем раскроя древесного сырья при производстве клееных брусьев 132
4.2. Определение распиловочных размеров пиломатериалов, предназначенных для изготовления клееных брусьев 135
4.2.1. Определение распиловочных размеров досок для изготовления клееных брусьев сплошного сечения 140
4.2.2. Определение распиловочных размеров четвертей для изготовления брусьев полого сечения 143
4.3. Определение оптимального объема оцилиндрованных бревен для выработки пиломатериалов заданных размеров 153
4.3.1. Формализация задач раскроя оцилиндрованных бревен на пиломатериалы для изготовления брусьев 153
4.3.2. Оценка вариантов раскроя бревен на пиломатериалы для клееных брусьев сплошного и полого сечения 162
4.3.3. Установление коэффициента выхода заготовок для клееных брусьев сплошного сечения 169
4.4. Проверка теоретических положений раскроя бревен на заготовки для клееных брусьев сплошного сечения 183
4.5. Выводы 189
5. Исследование объемно-качественной структуры древесного сырья и обоснование норм его расхода при формировании клееных материалов из шпона 191
5.1. Построение обобщенной оптимизационной модели раскроя и обработки древесины в производстве клееных материалов из лущеного шпона 191
5.2. Количественный и качественный выход шпона из сырья. Определение расхода сухого шпона для производства фанеры 198
5.3. Влияние условий формирования клеевого соединения шпона на расход древесного сырья 214
5.4. Выводы 218
6. Оптимизация производственной программы процессов раскроя древесного сырья для формирования клееных материалов 220
6.1. Первичная обработка древесного сырья 220
6.2. Обработка древесины в технологических системах деревообрабатывающих производств 227
6.3. Выбор критерия и формализация общей задачи оптимального раскроя и обработки древесного сырья 236
6.4. Выводы 259
Основные выводы и рекомендации 260
Библиографический список 265
Приложения 287
- Анализ результатов исследований, посвященных проблеме раскроя древесины и формированию из нее клееной продукции
- Проверка соответствия морфометрической модели древесного ствола с фактическими данными
- Установление коэффициента выхода заготовок для клееных брусьев сплошного сечения
- Выбор критерия и формализация общей задачи оптимального раскроя и обработки древесного сырья
Введение к работе
Актуальность темы. Проводимые структурные изменения в лесопромышленном комплексе России, прежде всего, ставят задачи рационального потребления древесного сырья. При этом эффективность все в большей степени связывается с развитием глубокой переработки сырья и качеством выпускаемой продукции, поскольку оно в значительной мере определяет конкурентоспособность товаров из древесины. Одним из динамично развивающихся направлений глубокой переработки древесины деревообрабатывающими производствами является изготовление клееной продукции на основе пиломатериалов и шпона.
Важными условиями повышения эффективности использования древесного сырья являются предварительная оценка качества исходного продукта и обоснованный выбор технологических параметров его обработки.
Информация о качестве древесного сырья, содержащая данные о его типоразмерных характеристиках, отражающих биологические особенности древесной породы, является важнейшей в аспекте прогноза его производственного использования и совершенствования технологий переработки.
Исследования по изучению размерно-качественной структуры древесного сырья и её влияния на выбор технологических процессов формирования древесных материалов соответствуют приоритетному направлению развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Рациональное природопользование».
Научное значение таких исследований заключается в получении новых знаний об объемно-структурном строении стволовой части дерева, закономерностях распределения качественных зон по его длине, а также в разработке математических моделей, позволяющих определять необходимую типоразмерную структуру круглых лесоматериалов на основе учета технологий их дальнейшей переработки.
Важнейшим практическим значением изучения размерно-качественных характеристик древесного сырья является решение задач по оценке технологической пригодности круглых лесоматериалов, прогнозу объемно-качественного выхода продукции и снижению отходов при формировании древесных материалов. Эти задачи вполне согласуются с перспективными исследованиями в области оценки ресурсно-сырьевого потенциала лесного комплекса страны, а также связанны с совершенствованием перерабатывающих технологий, что соответствует перечню критических технологий Российской Федерации.
Таким образом, повышение эффективности использования древесного сырья на основе научно-аргументированного подхода в предварительной оценке его качества и выбора технологических параметров процессов формирования древесных материалов является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное хозяйственное значение для деревообрабатывающей промышленности.
Цель работы – повышение эффективности использования древесного сырья при производстве клееной продукции из цельной древесины.
Научные гипотезы, выносимые на защиту:
1. Морфометрические характеристики, определяющие объемно-пространственную структуру ствола дерева, могут быть определены с использованием законов бионики и закономерностей безразмерных соотношений путем последовательного построения системы координат и основных анатомических точек и линий наполнения его формы.
2. Учет морфометрических характеристик ствола дерева при формировании круглых лесоматериалов и их последующей переработки на клееную продукцию из цельной древесины способствует повышению эффективности использования древесного сырья.
Объект исследования – технологические процессы обработки древесины при формировании древесных материалов (круглых лесоматериалов, пиломатериалов, шпона и клееной продукции из цельной древесины).
Предмет исследования – древесина хвойных пород дальневосточного региона (лиственница даурская, ель аянская, пихта белокорая).
Научная новизна работы. Научную новизну имеют:
структурно-морфологическая модель строения ствола дерева, построенная на основе законов бионики и закономерностей безразмерных соотношений;
морфометрические закономерности безразмерных соотношений протяженностей качественных зон по длине ствола дерева, установленные на основе бионического подхода к формообразованию растений и подтвержденные результатами натурных исследований хвойных пород дальневосточного региона;
теоретическое и экспериментальное обоснование распределения качественных зон внутри ствола во взаимосвязи с изменением его морфометрических характеристик, обусловленных фенотипической пластичностью дерева, способного изменять свою структуру под воздействием внешних факторов;
методика оценки технологической пригодности круглого лесоматериала по критерию максимизации коэффициента формы, выражаемого отношением объема цилиндра полной длины, вписанного в сортимент, к его фактическому объему;
технологическое обоснование эффективности использования древесного сырья в производствах клееной продукции из цельной древесины, базирующиеся на синтезе закономерностей его морфометрических характеристик и параметров обработки древесины, обеспечивающих заданный уровень объемного и качественного выхода полуфабрикатов в виде пиленых заготовок и шпона.
Значимость для теории и практики. Для теории имеют значение:
- математические модели стволов деревьев, построенные на основе интеграции законов бионики (закон конуса и закон спирали роста) и закономерностей безразмерных соотношений (принцип золотого сечения), а также оптимизационные модели раскроя хлыстов, учитывающие требования к типоразмерным характеристикам получаемых круглых лесоматериалов;
- аналитическое решение задачи определения на этапе раскроя хлыста центров базирования и оценки возможности применения отдельного бревна для производства пиломатериалов полной длины или же отдельного чурака для производства шпона с максимальным объемным выходом, причем эта оценка может быть осуществлена;
- теоретическое и экспериментальное обоснование и зависимости объемного и качественного выхода полуфабрикатов (пиленые заготовки и шпон) для изготовления клееных брусьев и фанеры, получаемых при последовательной обработке круглых лесоматериалов с учетом их типоразмерных характеристик, обусловленных местом вырезки сортиментов из хлыста;
- совокупность разработанных математических моделей, являющихся научной основой повышения эффективности и совершенствования технологии производства клееной продукции из цельной древесины.
Для практики имеют значение:
- методика прогнозной оценки типоразмерной структуры древостоя, предназначенного в переработку, а так же методика идентификации соответствующей ступени толщины хлыста, поступающего на раскряжевку;
– алгоритмы и программные комплексы автоматизированного расчета прогнозной оценки объемов древесного сырья при первичном раскрое и автоматизированного расчета идентификации и раскроя круглых лесоматериалов. С помощью разработанных программных комплексов можно проводить моделирование схем раскроя стволов на круглые лесоматериалы с различными типоразмерными характеристиками;
– методика построения структуры баланса объемов древесного сырья на этапе подготовки перед обработкой, которая дает возможность получения предварительной оценки объемов образующихся отходов и вторичного сырья на данном этапе технологической цепи;
– варианты схем раскроя пиловочных бревен, обеспечивающие максимизацию выхода клееных брусьев;
- алгоритм и программный комплекс автоматизированного расчета объемно-качественного выхода шпона из круглых лесоматериалов в зависимости от размерно-качественных показателей древесного сырья и фанеры во взаимосвязи с параметрами процессов обработки древесины.
Апробация работы. Основные выводы и предложения диссертации докладывались на многих международных, российских и ведомственных научных конференциях и семинарах: Региональная научно-техническая конференция по межвузовской научно-технической программе "Дальний Восток России", (ХГТУ, Хабаровск, 1995,1996); Пятый международный симпозиум по проблемам научно-технического прогресса в Дальневосточном регионе, (ХГТУ, Хабаровск, 1997); Научно-техническая конференция "Научное и научно-техническое обеспечение экономического и социального развития Дальневосточного региона", (ХГТУ, Хабаровск, 1998); Международная научно-техническая конференция "Композиционные материалы на основе древесины", (МГУЛ, Москва, 2000); Международная научно-техническая конференция "Малоотходные технологии переработки древесины и эффективное использование вторичного сырья", (Москва, 2000); Всероссийская научно-практическая конференция «Химико-лесной комплекс – проблемы и решения», (СибГТУ, Красноярск, 2001, 2002); Международные научно-технические конференции "Лес", (БГИТА, Брянск, 2002, 2003, 2006); Международные научно-технические интернет-конференции "Лесной комплекс: состояние и перспективы развития", (БГИТА, Брянск, 2002, 2005, 2006); XVIIIth International Symposium “Adhesives in Woodworking Industry”, (Zvolen, 2007); III Международный Евразийский Симпозиум «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века», (Екатеринбург, 2008).
Реализация результатов исследований. Результаты исследований используются в практической работе организаций, заготавливающих древесное сырье и производящих клееные конструкции: ОАО «Баджальский леспромхоз-2»; ООО «Лесоперерабатывающая компания «Февральск»; ОАО «Приморсклеспром»; ЗАО «СТС Текновуд».
Разработанные методики и программные комплексы использованы при решении ряда научно-исследовательских задач в рамках программы «СТАРТ», финансируемой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, выполняемых ООО «Дальтехнодрев».
Результаты работы являлись составной частью комплекса проводимых Дальневосточным лесотехническим институтом Тихоокеанского государственного университета научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ: тема «Оценка, прогноз и лесная политика в области использования лесных ресурсов Хабаровского края на основе динамического мониторинга», выполняемая по программе «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развития ее научного потенциала» (2001 г.); темы, выполняемые по заказу Правительства Хабаровского края – «Разработка технологии переработки тонкомерной древесины лиственницы на радиальные пиломатериалы и ее промышленное внедрение», «Разработка технологии пустотелого бруса из тонкомерного сырья» (2002 г.); тема «Разработка теоретических основ эффективного функционирования вертикально-интегрированных деревообрабатывающих технологических структур», выполняемой в рамках гранта Министерства образования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области технических наук (2003-2004 гг.).
Отдельные результаты исследований используются в учебном процессе Тихоокеанского государственного университета и Дальневосточного государственного технического университета в курсовом и дипломном проектировании специальности 250403 “Технология деревообработки”.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 34 печатные работы, в том числе монография, практическое руководство, 10 статей в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных
ВАК РФ, 8 патентов на изобретения, 3 программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения,
6 глав основного текста, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Текстовая часть работы, включая рисунки и таблицы, изложена на 286 страницах и содержит 98 рисунков и 17 таблиц. Список использованной литературы насчитывает 215 наименований. Приложения на 60 страницах включают результаты обработки экспериментальных данных и акты производственных испытаний и внедрения результатов научных разработок.
Анализ результатов исследований, посвященных проблеме раскроя древесины и формированию из нее клееной продукции
Основным составным элементом дощато-клееной деревянной конструкции является заготовка из пиломатериала, которая в свою очередь может быть цельной или клееной. Применимость того или иного вида заготовок определяется предъявляемыми к ним качественными требованиями и размерно-качественными характеристиками исходных пиломатериалов.
Центральной проблемой исследований в области раскроя пиловочного сырья на пиломатериалы долгие годы являлось установление линейных размеров обрезных досок с максимальными поперечными сечениями, дающих наибольший их выход из пиловочного сырья. Впервые в мире такая задача была поставлена и решена в нашей стране, вклад российских ученых в формирование теории раскроя древесного сырья общепризнан.
Основы теории раскроя пиловочного сырья на пиломатериалы были сформулированы Х.Л. Фельдманом, который в 1932 г. опубликовал свою работу "Система максимальных поставов" [171], где попытался дать теоретическую базу под существующую в лесопилении практику составления и расчета поставов. Предлагаемые Х.Л. Фельдманом решения носили частный характер, не учитывались реальные условия рассеивания размеров бревен относительно расчетных.
Значительный вклад в теорию раскроя пиловочного сырья внес А.Н. Пе-соцкий [3, ..., 5], который провел исследования по установлению влияния различных факторов, таких как линейные размеры и пороки формы бревен, условия подготовки бревен к раскрою и др. на рассеивание размеров, объемный выход и качество вырабатываемых пиломатериалов. Таким образом, в исследованиях были учтены реальные условия производства.
В последующем изучению проблемы раскроя пиловочного сырья посвящено значительное количество исследований [4, 5, 11, ..., 15, 23, 30, 35, 39, 54, 55, 57, 60, ..., 62, 64, 76, 77, 85, 86, 97, 98, 101, 102, 137, 142, 145, 164, 190, ...,193] и др.
Особенностью вышерассмотренных работ является то, что исследования проводили с целью определения влияния различных факторов на размерно-качественные характеристики вырабатываемых пиломатериалов без учета последующей переработки пиломатериалов на заготовки.
К решению вопросов совершенствования теории раскроя бревен на пиломатериалы и пиломатериалов на заготовки, как в отдельности, так и в комплексе, обращались многие исследователи, внеся существенный вклад в её развитие, что нашло отражение в соответствующих научных публикациях: [4, 25, 32, 45, 47, 53, 90, 130, 138, 141, 143, 144, 173, 197, 200, 201] и др.
В результате исследований по составлению оптимальных планов раскроя пиломатериалов на заготовки с применением математических методов [25, 32, 45, 53] были разработаны планы раскроя, позволяющие увеличить выход спецификационных заготовок на 3 - 6 % при одновременном увеличении общего выхода на 1,3 - 3 %.
В работе [138] рассмотрены варианты производства только цельных, только клееных заготовок и изготовление заготовок по смешанной технологии, и установлено, что производство клееных заготовок является эффективным, т. к. выход здесь на 15 - 24 % выше по сравнению с изготовлением цельных заготовок и на 0,5 - 1,0 % по сравнению с выходом заготовок при использовании смешанной технологии.
В настоящее время существуют научные разработки, в которых доказано, что качество пиломатериалов и получаемых из них заготовок зависит от первичного раскроя древесного сырья (раскряжевки хлыстов). В работах [78, 79], приведены результаты исследований, на основании которых сделаны выводы о том, что раскрой хлыстов должен производиться по критерию максимального выхода (объема) спецификационных пиломатериалов, при этом увеличение фактического выхода спецификационных пиломатериалов может быть обеспечено только при включении в систему управления линией имитационной раскройной программы [161].
В работе [47] исследован процесс выработки комплектных заготовок на лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях, получающих сырье в хлыстах. На основе полученных уравнений регрессии, характеризующих зависимость выхода комплектных заготовок из пиловочных бревен от различных технологических факторов, выявлены наиболее рациональные схемы раскряжевки хлыстов.
Отличительной особенностью работ [130, 141] является комплексный подход в решении задачи оптимизации раскроя древесины от хлыстов до заготовок. В результате проведенных исследований- установлено, что раскрой хлыстов необходимо осуществлять с учетом требуемых размерно-качественных характеристик пиломатериалов и заготовок. Но для этого необходимо иметь данные о размерно-качественных характеристиках хлыстов.
В последние годы появились работы, в которых разрабатываются.планы и алгоритмы раскроя древесного сырья от хлыстов до пиломатериалов с учетом таксационных характеристик лесного фонда [88, 113, 114, 146].
Аналогичный подход к решению задач рационального раскроя и обработки древесного сырья несколько раньше использовали иностранные исследователи [202, 203, 209, 213]. В своих работах они использовали методы линейного программирования для отыскания оптимальных технологических решений на всех этапах преобразования древесного сырья в несколько видов продукции, при этом критерием оптимизации принимали размер прибыли в единицу времени.
Приведенный анализ свидетельствует о сложности и многогранности теории и практики раскроя древесного сырья на пилопродукцию. Проблеме рационального раскроя пиловочного сырья уделялось и уделяется огромное значение, в этом направлении проведено много исследований.
При этом необходимо отметить, что подавляющее большинство исследований выполнено в направлении установления оптимальных размеров обрезных пиломатериалов, максимизирующих их объемный выход, с учетом влияния на него различных факторов. При этом разработка способов и технологии-раскроя пиломатериалов на заготовки ставила своей целью определение норм расхода сырья в производстве пиломатериалов и заготовок.
В свою очередь, производство клееных материалов из цельной пиленой древесины основывалось на использовании пиломатериалов общего назначения. В связи с этим исследования, проводимые в области изготовления клееных древесных материалов на основе пиленых элементов, своей целью ставили. достижение требуемой прочности склеивания с учетов влияния параметров составного элемента и условийформирования клеевого соединения.
Исследовалось влияние характеристик склеиваемых поверхностей (шероховатость, неплоскостность), которые влияют на степень контактности последних,и, как результат, на прочность склеивания.
Исследованиями [103,..., 106] установлено, что для достижения 100%-ной контактности склеиваемых поверхностей брусковых заготовок из. древесины необходимо приложить давление прессования .равное 0,6 МПа, если имеется неплоскостность 0,2 мм/м, и давление - 2,0 МПа, если неплоскостность составляет 1,0 мм/м. Здесь же отмечается, что с увеличением фактической площади соприкосновения клея с древесиной увеличивается прочность клеевого соединения.
В работе [178] теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения прочных и надежных клеевых соединений древесины с частично непрофрезерованной поверхностью. Для этого разработан и апробирован состав наполненного клея.
Работы.[46, 94, 95], в,которых решались задачи повышения эффективности получения клееной пилопродукции, позволили получить режимы склеивания-древесины влажностью до 60 %.
Кроме оценки прочности клеевых соединений древесины исследователями решались проблемы прогнозирования свойств получаемых клеевых материалов [175, 716].
Таким образом; проведенный анализ работ по проблемам изготовления! клееных материалов на основе пиленых заготовок- показал, что при: всей их значимости многие вопросы требуют дальнейшейразработки. Несмотря на накопленный опыт и большое количество исследований; в настоящее: время отсутствуют аргументированные, научно-обоснованные предложения по выбору технологических параметров раскроя древесного, сырья с учетом возможности реализовать, интегрированные технологиипри производстве клееных материалов на основе пиленых заготовок.
B группе клееных материалов на основе цельнош древесины, значительное место занимает клееная слоистая древесина, составным элементом которой» является . лущеный- шпон: Клееные, материалы из шпона обладают большей: прочностью; несущей; способностью и долговечностью по: сравнению! с:клее-нымийпиломатериалами; [ 1;8 Г].
Проверка соответствия морфометрической модели древесного ствола с фактическими данными
Многообразие факторов, влияющих на формирование морфометриче-ских характеристик древесного ствола, проявляется в изменчивости показателей, характеризующих его размерно-качественные параметры. Вследствие этого имеет место некоторое варьирование фактических морфометрических характеристик стволов от расчетных значений. В данном разделе на основании результатов теоретического анализа и экспериментальных данных рассматривается соответствие предлагаемых математических моделей древесных стволов их фактическим прообразам.
Натурные исследования, проведенные по породам (ель аянская, пихта-белокорая, лиственница даурская), в которых определялись параметры следующих характеристик: длины ствола, длины зоны живой кроны и длины бессучковой зоны, позволили установить, что распределение данных случайных характеристик подчиняется нормальному закону [40].
В результате обработки экспериментальных данных были получены основные статистические оценки, которые приведены в табл. 3.1.
На основании данных, представленных в табл. 3.1, следует вывод о том, что длина зоны живой кроны исследуемых пород примерно одинакова. Тогда как длина бессучковой зоны лиственницы даурской (светолюбивая порода) примерно в два раза больше аналогичного показателя для ели аянской и пихты белокорой (теневыносливые породы).
Статистические данные и результаты их обработки приведены в приложениях 2-4.
Для проверки статистической гипотезы воспользуемся известной методикой [160]. Пусть генеральное среднее значение длины определенной качественной зоны древесного ствола а равно соответствующему значению а0 пропорциональному золотому сечению.
Для того чтобы при заданном уровне значимости а=0,05 проверить выдвинутую статистическую гипотезу, необходимо вычислить наблюдаемое значение критерия
Таким образом, установлено, что протяженность качественных зон по длине ствола дерева подчинена закономерностям безразмерных соотношений -принципу золотого сечения.
Кроме того, предлагаемые модели древесных стволов построены на основе гипотезы бионического формообразования, что предопределяет некоторую детерминированность формы стволов и их образующей, уравнение которой может давать некоторые ошибки в сравнении с фактическими данными.
На рис. 3.1 показаны линии образующих древесных стволов (лиственницы даурской и ели аянской) и точки поля рассеивания фактических данных, полученных при определении относительных радиусов стволов по их относительной длине.
Фактические значения радиусов стволов в комлевой и вершинной частях имеют наибольшее отклонение от моделируемых линий образующих. Причем отклонения от моделируемой линии образующей колеблются как в сторону увеличения фактического радиуса, так и в сторону его уменьшения.
Зависимости коэффициента вариации, характеризующего относительное рассеивание фактических радиусов от расчетных значений, показывают, что максимальное отклонение фактических радиусов от расчетных наблюдается в комлевой и вершинной части ствола (рис. 3.2).
Аналогичные результаты были получены и другими исследователями (проф. В.К. Захаров, проф. Петровский B.C. и др.) при анализе математических моделей образующих древесных стволов, полученных на основе фактических обмеров хлыстов и последующего построения регрессионных зависимостей.
Оценка относительной погрешности между расчетными значениями радиусов, полученными на основе морфометрической модели, и значениями радиусов, полученными на основе регрессионных зависимостей натурных исследований и данных других исследователей [126, 156], (рис. 3.3), показала, что погрешность морфометрической модели находится в пределах ± 5%, а погрешность между значениями радиусов регрессионных моделей несколько больше и составляет диапазон от минус 6 до 9 % для лиственничных стволов и ± 10% для стволов ели аянской. Расхождение в результатах оценки погрешностей может быть объяснено тем, что большинство таблиц сбега получены на основе обмера хлыстов, поступающих на раскряжевку. Регрессионная модель на основе натурных исследований построена на основе данных, полученных при обработке результатов обмера модельных деревьев. Поэтому относительная погрешность между расчетными значениями радиусов, полученными на основе морфометрической модели, и значениями радиусов, полученными на основе регрессионной зависимости по результатам натурных исследований, находится в пределах ± 5%.
Для крупномерных стволов с диаметром на середине длины 30 см максимальное расхождение между значениями радиусов, рассчитанных по морфологической и регрессионным моделям, в абсолютных единицах, определяется в комлевом торце и составляет для лиственницы 3,0 см, для ели — 2,0 см. Для стволов с диаметром на середине длины 14 см максимальное расхождение наблюдается в аналогичном сечении ствола и составляет 1 см для обеих пород.
На основании проведенных исследований можно прийти к выводу, что предложенная морфометрическая модель образующей ствола дерева дает возможность осуществлять прогнозную оценку типоразмерных характеристик сырья планируемого к переработке.
Алгоритм и его блок-схема для построения плоскостной модели хлыста по результатам сканирования приведены в приложении 5.
Поскольку измерить длину ствола и диаметр на середине его длины с требуемой точностью у стоячего дерева сложно, а у хлыста, поступающего на раскряжевку практически невозможно, возникает задача идентификации хлыста соответствующей ступени толщины.
Установление коэффициента выхода заготовок для клееных брусьев сплошного сечения
Известно, что основным пороком древесины, влияющим на выход заготовок, являются сучки [83, 96] и др. В реальных условиях производства клееных брусьев сплошного сечения из заготовок (ламелей), получаемых путем склеивания заготовок по длине на зубчатый шип, необходимо учитывать их качественные характеристики, и в первую очередь не допустимо в заготовках наличие сучков.
Для получения расчетных формул по определению выхода ламелей из досок используем подход, основанный на определении вероятностей встречаемости отрезков пиломатериалов различной длины, получаемых при вырезке сучков. Такой подход уже был предложен рядом исследователей [131, 138, 199].
Отрезки пиломатериалов могут условно рассматриваться как некоторые заготовки, длина 13 которых больше 1тт отрезков для склеивания, но меньше длины 1тах. Значения длин 1тт и 1тах обусловлены параметрами станка для фрезерования шипов.
При вырезке сучка из доски необходимо учитывать присучковое искривление годовых слоев, которое сказывается на прочности шипового соединения, и поэтому длину вырезки принято принимать равную двум диаметрам сучка: dc - среднее значение диаметра сучков, расположенных на поверхности доски.
Многолетними исследованиями установлено, что на поверхности пиломатериалов встречаются сучки трех форм: круглые, овальные и продолговатые [28,134, 166].
Круглые по форме сучки располагаются на тангенциальной поверхности пиломатериала (рис. 4.21 а); При этом угол наклона оси сучка /? к плоскости наружной пласти пиломатериала близок к 90 . Приняв, что в основании сучка лежит плоский телесный угол (р, получим следующие соотношения
Максимальное значение продольного диаметра сучка может быть получено при условии, что угол наклона оси сучка /5 к плоскости наружной пласти пиломатериала равен 90, а угол прикрепления сучка отличен от 90 (рис. 4.22). При условии а = 90 , диаметр сучка определяем по формуле (4.62), если же а ф 90 , получаем
Исследованиями Полубояринова О.И. установлено, что угол прикрепления сучков у хвойных пород Европейской части России находится в интервале от 60 до 140 градусов [134]. Для дальневосточных хвойных пород угол прикрепления сучков находится в интервале от 60 до 110 градусов.
Результаты расчетов с использованием формулы (4.63) приведены в приложении 13.
Обработка результатов расчетов, выполненных по формуле (4.63), позволила установить, что угол прикрепления сучков, размер которых на поверхности бревна находится в интервале от 10 до 60 мм, не оказывает существенного влияния на длину вырезки данного порока.
Проверка с применением -критерия Стыодента однородности средних диаметров сучков для углов их прикрепления от 60 до 110 градусов показала,. что между средними нет значимого различия: если угол прикрепления сучка равен 60 , тогда средний диаметр сучка на пласти пиломатериала имеет следующие значения статистических показателей - dcp = 19,99 мм, S1 = 147,874, если угол прикрепления сучка равен 110, тогда dcp = 18,67 мм, о — 123,075. В результате проверки получено неравенство tpaC4 t n Таким образом, средний размер сучка на поверхности пиломатериала можно определять по формуле (4.62).
Среднее количество п отрезков в ламели определим как отношение длины доски 4 к средней длине 13 отрезков, ее составляющих. Таким образом, вы ражение (4.58), с учетом (4.62), можно записать в следующем виде
Применение формулы (4.65) является справедливым при условии, что распределение сучков на поверхности бревна будет равномерным.
Рассмотрим раскрой бревен брусово-развальным способом на один и два (три) бруса. Из схемы, изображенной рис. 4.23 а), определим, что центральный угол охвата внутренней пласти доски при раскрое бревна на один брус равен
На рис. 4.24 изображены зависимости количества сучков от месторасположения доски в поставе, при соответствующем способе раскроя.
Анализ полученных зависимостей, позволяет констатировать, что при раскрое бревен развальным способом и брусово-развальным с выпиливанием одного бруса количество сучков в досках мало зависит от способа раскроя, и в среднем их количество находится в интервале от 9 до 15 штук в зависимости от месторасположения доски в поставе. Увеличение количества брусьев в поставе приводит к уменьшению количества сучков в досках. При этом характер изменения зависимостей количества сучков в досках противоположный. Так, при раскрое на два бруса, имеем следующее: чем дальше внутренняя пласть доски от центра бревна, тем меньше количество сучков в доске (от 5 до 7 шт.). При раскрое на три бруса, чем дальше внутренняя пласть доски от центра бревна, тем больше количество сучков в доске (от 0 до 2). Раскрой на три бруса дает наименьшее количество сучков в досках, получаемых из крайних брусьев. 16 -г
Выбор критерия и формализация общей задачи оптимального раскроя и обработки древесного сырья
Принято считать [162], что главной целью ПЭС является обеспечение требуемой прибыльности производства (Д - деньги), целью производственной системы - обеспечение количества выпускаемой продукции (П) (в единицу времени и в разрезе заданного ассортимента), а технологической системы — обеспечение требуемого уровня качества продукции (К). Однако это только главные цели. В состав ТС могут входить несколько подсистем, что обусловливает наличие всех указанных целей на всех уровнях иерархии (в качестве общей цели уровня). Приоритеты же между отдельными компонентами (по отношению друг к другу) на разных уровнях разные. Возможный вариант распределения приоритетов приведен в табл. 6.2.
Такое положение вызывает необходимость обеспечения эффективного функционирования на каждом уровне в отдельности и применительно к каждой ТС, что предполагает существование критериев их оценки.
Определение эффекта от использования всего объема древесного сырья, поступающего в обработку, является задачей выявления показателя, характеризующего качество работы ПЭС и эффективность использования всех ресурсов, имеющихся в ее распоряжении.
В работах [124] предлагается система показателей для измерения эффективности использования древесного сырья, разделенных на две группы: натуральные и стоимостные. Однако в работе [128] указывается, что целесообразно применять лишь один критериальный показатель и следует добиваться для него экстремума. Для нескольких произвольно выбранных критериев совершенно невозможно одновременно достичь максимума (минимума) при одном и том же управлении.
При выборе решения в задаче с несколькими показателями оценивания надо ограничиться теми решениями, для которых невозможно одновременное улучшение всех показателей. Такие решения называются эффективными или оптимальными по Парето.
Вид математической модели, описывающей поведение производственной системы в пространстве состояний, зависит от класса задач, которые необходимо решать для обеспечения эффективной работы деревообрабатывающего предприятия. Поэтому, чтобы определить структуру оптимизационной математической модели производственной системы, необходимо определить тот класс задач, которые предстоит решать с ее использованием.
Можно выделить три типа задач. Первой задачей, которую необходимо решать при управлении производством, является определение оптимальной производственной программы предприятия (выбор оптимальной спецификации товарной продукции), которая обеспечит его безубыточную работу и достижение максимально возможной прибыли, исходя из текущей конъюнктуры рынка, уровня цен, наличия древесного сырья и различных производственных условий. Решение этой задачи особенно актуально в современных условиях, когда имеющийся на предприятиях портфель заказов не покрывает все производственные мощности и имеется возможность работать на свободный рынок, в том числе на экспорт.
Другой задачей, связанной непосредственно с первой, является задача оптимального планирования раскроя и обработки древесного сырья для обеспечения выпуска заданной спецификации товарной продукции по размерам, объемам и качеству при имеющихся организационно-технологических ограничениях.
Третьей является задача оптимального оперативного управления деревообрабатывающим производством в реальном масштабе времени (составление производственных расписаний и оперативно-диспетчерское управление раскроем и обработкой древесного сырья и выпуском товарной продукции).
В рамках решения первой задачи экономическую эффективность ПЭС в условиях рыночной экономики определяет прибыльность функционирования ТС. Какой бы стабильной ни была экономика вообще и конкретная рыночная ниша в частности, нет никаких гарантий в том, что данная ситуация может продолжаться достаточно длительное время. Возможен момент, когда наступает сокращение спроса на выпускаемую продукцию и как результат - спад ее производства. Поэтому правомерно предполагать, что любое производство обладает свойством неопределенности. Отсюда очевидным становится тот факт, что ПЭС в своей производственной деятельности должна быть достаточно устойчивой к рыночным колебаниям.
Таким образом, чтобы не попасть в будущем в тяжелое экономическое положение, ПЭС необходимо, по возможности, заранее обезопасить свое производство, предусмотрев определенные резервы ресурсов ТС.
Во-первых, предприятие должно обладать определенной производственной мощностью, которая обеспечивала бы формирование высоконадежного рыночного бизнеса с малым риском. Это предусматривает, что мощность ТС должна быть выше критического объема производства и реализации готовой продукции. Данное условие означает, что существует такая производственная программа, при которой прибыль будет равняться нулю, и тогда выручка от продажи продукции будет точно соответствовать затратам, понесенным на ее изготовление. Такую производственную программу называют программой самоокупаемости [27]:
Согласно [153], на единицу продукции переменные затраты остаются постоянными, независимыми от количества выпускаемой продукции, а условно-постоянные затраты изменяются обратно пропорционально изменению объема выпуска продукции. Из этого следует, что (6.15) можно записать следующим
Величина условно-постоянных затрат ПЭС относится ко всем ТС одновременно, и от того, какая их часть окажется отнесенной на конкретную ТС, будет зависеть себестоимость единицы продукции, выпускаемой данной ТС.
За основу распределения принято принимать переменные затраты. К наиболее распространенным способам распределения постоянных затрат между ТС относят следующие [27]:
- по прямым переменным затратам на заработную плату;
- по прямым переменным затратам на сырье и материалы;
- по прямым переменным затратам на топливо;
- по прямым переменным затратам на энергию;
- по полным прямым переменным затратам.
Доля затрат на сырье и материалы в отраслях лесопромышленного комплекса составляет 60-80 % полной себестоимости выпускаемой продукции [153]. Поэтому обоснованно считать распределение условно постоянных затрат между ТС пропорционально затратам на сырье.
Величина условно-постоянных затрат, относимых на затраты, связанные с приобретением сырья, может быть определена по формуле [27]
