Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор процессов лесопиления в условиях лесосеки 9
1.1. Анализ состояния производства пиломатериалов в условиях лесосеки 9
1.2. Энергосбережение при производстве пиломатериалов на лесосеке 11
1.3. Краткий обзор методов оптимизации при производстве сортиментов и пиломатериалов 16
1.4. Выводы по разделу 24
2. Оценка эффективности лесопиления в условиях лесосеки на основе критерия удельной энергоем кости 26
2.1. Технологические схемы производства пиломатериалов в условиях лесосеки 26
2.2. Сравнительная оценка эффективности технологических схем при производстве пиломатериалов по критерию удельной энергоемкости 31
2.2.1. Удельная энергоемкость технологического процесса №1 32
2.2.2. Удельная энергоемкость технологического процесса №2 37
2.2.3. Удельная энергоемкость технологического процесса №3 38
2.3. Моделирование и оптимизация раскроев хлыстов на сортименты и
пиломатериалы по критерию удельной энергоемкости 42
2.3.1. Разработка математической модели раскроев хлыстов на сортименты и пиломатериалы на основе комплексного критерия 42
2.3.2. Решение поставленной задачи в математической программной среде 48
2.4. Лесной комбайн для переработки стоящих деревьев на сортименты и пиломатериалы 51
2.5. Выводы по разделу 55
3. Экспериментальные исследования в производственных условиях . 57
3.1. Цели и задачи производственного эксперимента 57
3.2. Характеристика объекта исследований, места и условия проведения эксперимента 57
3.3. Измерительная аппаратура 59
3.3.1. Тарировка измерительных приборов 65
3.3.2. Выбор частоты дискретизации 67
3.3.3. Определение необходимого числа повторений опытов в экспериментальных исследованиях 70
3.4. Порядок проведения и методика обработки результатов экспериментальных исследований 70
3.5. Выводы по разделу 75
4. Результаты производственно-эксперимент исследований при распиловке на пиломатериалы 77
4.1. Проверка стационарности процесса продольного лесопиления 77
4.2. Обоснование применения спектрального анализа к результатам эксперимента 81
4.3. Кластеризация пиломатериалов для нахождения амплитудно-частотных характеристик процесса лесопиления 88
4.3.1. Обоснование разделения пиломатериалов по группам высот пропила 88
4.3.2. Исходные данные и результаты кластеризации по группам высот пропила 89
4.4. Выделение частотных составляющих при пилении сучковой и бессучковой зон древесины на основе амплитудно-частотных характеристик 91
4.4.1. Выделение частотных составляющих при пилении сучковой зоны древесины 91
4.4.1.1. I группа высот пропила (13 – 29 см) 91
4.4.1.2. II группа высот пропила (30 – 40 см) 95
4.4.1.3. III группа высот пропила (42 – 56 см) 95
4.4.2. Выделение частотных составляющих при пилении бессучковой зоны древесины 99
4.4.2.1. I группа высот пропила (13 – 29 см) 99
4.4.2.2. II группа высот пропила (30 – 40 см) 100
4.4.2.3. III группа высот пропила (42 – 56 см) 100
4.5. Выделение частотных составляющих на повороты, холостые возвратные движения и поперечные перемещения пиловочника при продольном пилении на основе амплитудно-частотных характеристик 104
4.6. Выводы по разделу 107
5. Экономическая эффективность процесса производства пиломатериалов на лесосеке 109
5.1. Характеристика сравниваемых процессов производства пиломатериалов 109
5.2. Расчет технико-экономических показателей использования оборудования 110
5.3. Расчет времени простоев в ремонтах и техобслуживании 111
5.4. Расчет заработной платы рабочих 112
5.5. Расчет стоимости оборудования и амортизационных отчислений 115
5.6. Расчет потребности и стоимости горюче-смазочных материалов и электроэнергии 115
5.7. Расчет стоимости ремонтных материалов и запасных частей 117
5.8. Затраты на капитальный ремонт оборудования 117
5.9. Смета затрат на ремонт и техническое обслуживание оборудования 117
5.10. Калькуляция себестоимости содержания оборудования 118
5.11. Расчет эксплуатационных затрат 119
5.12. Выводы по разделу 120
Основные выводы и рекомендации 121
Литература 124
- Энергосбережение при производстве пиломатериалов на лесосеке
- Сравнительная оценка эффективности технологических схем при производстве пиломатериалов по критерию удельной энергоемкости
- Характеристика объекта исследований, места и условия проведения эксперимента
- Кластеризация пиломатериалов для нахождения амплитудно-частотных характеристик процесса лесопиления
Энергосбережение при производстве пиломатериалов на лесосеке
При производстве пиломатериалов на лесосеке возникает вопрос энергосбережения, связанный в основном со спецификой места проведения распиловки.
Существуют разнообразные энергосберегающие технологии, как на лесозаготовках, так и в лесопилении.
Энергосбережение в деревообрабатывающей промышленности (ДОП) происходит в основном путем снижения энергоемкости производства продукции [20]. Так в [21] предлагается снизить энергопотребление процесса поперечного пиле 12 ния путем использования комбинированных пил с подрезающими и стружкосре-зающими укороченными зубьями.
Авторы [22] предлагают новую конструкцию малогабаритного ленточно-пильного станка с обоснованными технологическими параметрами, которая позволит обеспечить ресурсосбережение за счет снижения энергозатрат, примерно в 2 – 2,5 раза, увеличение выхода деловой древесины на 6 – 8%.
Вопросы снижения затрат на пиление древесины также решаются путем модификации дереворежущего инструмента [23] и выбора оптимального угла резания [24].
В работах [6, 25] снижение энергоемкости продукции ДОП происходит путем сжигания древесных отходов для последующего использования энергии в электроснабжении и для сушки готовых пиломатериалов.
Существует также возможность использования вторичного сырья в качестве топливных гранул и брикетов [26, 27]. Эти же способы могут использоваться при снижении энергоемкости для получения пиломатериалов в условиях лесосеки.
Достаточно полное описание ресурсосбережения путем регулирования образования и утилизации отходов представлены в [28, 29]. В работе [28] на основе опыта экономически развитых стран мира, предлагается решение многих проблем утилизации твердых промышленных отходов путем правового регулирования. В частности, на примере Германии рассмотрена экологическая налоговая реформа (SR), целью которой является создание экономических стимулов для бережного использования энергии. В результате проведения реформы произошло сокращение потребления энергии и образования твердых отходов. В [29] разработана программа улучшения энергетической системы США, где в качестве основного пути решения проблемы предусмотрено использования биомассы древесины. Результаты исследования могут быть использованы в России в качестве экономического стимулирования энерго- и ресурсосбережения.
В работе [30] исследовались энергетические характеристики цикла распиловки бревен на фрезерно-пильном агрегате ЛАПБ-1. Проведенные исследования позволили сделать выводы: 1) активная энергия прямо пропорциональна толщине пилы и ширине резца; 2) с уменьшением размеров инструмента потребление энергии уменьшается, при этом удельный расход энергии увеличивается; 3) с уменьшением сечения пиломатериала удельный расход энергии возрастает; 4) для равных сечений пиломатериалов, получаемых из бревен разных диаметров, удельный расход энергии различный.
Возможность превращения тонких бревен в четырехкантный брус или доски на лесосеке позволяет практически без потерь сократить на 30% объем перевозок древесины из леса на завод. Отходы лесопиления в виде щепы и опилок предполагается при этом использовать в качестве древесного топлива для передвижного газогенератора, работающего в связке с конвертированной на генераторный газ дизель-электрической станцией. Утилизация отходов лесопиления в лесу посредством газогенераторных установок снижает экологические нагрузки на окружающую среду [6].
Снижение затрат энергии возможно и при определенных условиях реализации технологического процесса пиления древесины, например, при минимизации количества холостых ходов при продольном пилении.
В работе [31] рассматриваются возможности использования неравномерности распределения сучков в пиловочном сырье при раскрое пиломатериалов на заготовки. Неравномерность распределения сучков по окружности бревна (концентрацию сучков) рекомендуется использовать для повышения эффективности технологии лесопиления, в первую очередь, рассматривая часть производственной цепочки: пиловочное бревно (ориентируя его при распиловке или нет) – пиломатериалы (различных категорий насыщенности сучками) – пиленые заготовки.
В [32] на основании исследования приводится методика, результаты и анализ влияния поворота бревен и высоты пропила на выход пиломатериалов. Приводятся характеристики бревен, методика исследования, полученные результаты и анализ, на основании которого установлено влияние поворота бревен и высоты пропила на выход пиломатериалов. Также рекомендуются оптимальные углы поворота бревен и высот пропила.
В [33] рассматривается вопрос эффективности ориентации бревен перед их распиловкой. При этом ведется учет концентрации сучков сортоопределяющих размеров: максимальный размер сучка должен быть на пласти, а не на кромке обрезной доски, что положительно отражается на ее сортности. Нормирование сучков ведется относительно ширины доски ds/b и относительно вершинного диаметра ds/dв. На основе исследований выявлены предельные значения ds/b и ds/dв для каждого посортного выхода пиломатериалов хвойных пород. Представлена оптимальная схема распиловки бревен с ориентацией по концентрации сучков в соответствии с рисунком 1.1. Полученные результаты могут быть использованы только при определенном виде раскроя – с брусовкой, для крупномерных бревен целесообразно проводить распил на два бруса.
Сравнительная оценка эффективности технологических схем при производстве пиломатериалов по критерию удельной энергоемкости
Представленный в разделе 1 анализ состояния производства пиломатериалов в условиях лесосеки, ресурсосбережения и методов оптимизации при производстве сортиментов и пиломатериалов определил возможность использования изложенной далее методики оценки эффективности лесопиления в условиях лесосеки.
Производство пиломатериалов в самом лесу стало возможным благодаря появлению мобильных лесопильных установок, включая ленточнопильные. Основное технологическое преимущество ленточнопильных станков – малые потери древесины в опил при относительно высокой производительности. Применение ленточнопильных станков сокращает потери древесины в опил по сравнению с круглопильными станками в 2 – 3 раза, а по сравнению с лесопильными рамами – в 1,5 – 2 раза [34]. Серия LT40 – это проверенный, надежный станок, используемый в профессиональном производственном цикле. Станки серии LT40, как правило, выбирают частные фирмы, чей бизнес основан на получении высокой производительности и качественного материала при распиловке древесины, как для своего производства, так и на заказ [72].
При производстве пиломатериалов возникает проблема выбора места распиловки древесины: на нижнем лесопромышленном складе, на верхнем складе или на лесосеке у пня [3].
Наиболее подходящими для оценки эффективности технологического процесса лесозаготовок являются критерии энергетического характера [70], [73-74].
Теоретические основы оценки технологических процессов лесозаготовок на основе энергетического критерия – удельной энергоемкости по маршруту технологического процесса представлены в [75, 76]. В этих работах приводится постановка и решение задачи, целью которой являлось уменьшение удельной энергоемкости технологического процесса посредством определения оптимального процесса. Установлено, что технологический процесс с обработкой предмета труда в координатах стоящего дерева на лесосеке или складе – наилучший по удельной энергоемкости (первоначальная обработка предмета труда в вертикальном положении и последующая его транспортировка).
На практике расчеты, связанные с удельной энергоемкостью технологических процессов отдельных операций машин, были проведены исследователями в работах [69], [77,78]. В частности, в работе [69] за основу технологического процесса была принята сортиментная заготовка леса. В результате исследований, автором выявлено, что наименьшими удельные энергозатраты и стоимость удельных энергозатрат будут при технологическом процессе заготовки сортиментов с использованием валочно-сучкорезно-раскряжевочной машины. В данном случае сортименты будут поставляться во двор потребителю непосредственно с лесосеки, то есть, минуя нижний лесопромышленный склад.
В нашем случае конечным продуктом являются пиломатериалы. Пиломатериалы могут быть получены либо на нижнем лесопромышленном складе в распи 28 ловочном цеху, либо на лесосеке. В последнем случае стоимость готовой продукции намного снижается. Для сравнения принята сортиментная технология лесозаготовок на базе ва-лочно-сучкорезно-раскряжевочной машины (харвестера) и сортиментовоза (фор-вардера). Валку деревьев, обрезку сучьев и раскряжевку хлыстов выполняет харве-стер John Deere 1270B, трелевку сортиментов к погрузочному пункту осуществляет форвардер John Deere 1410.
Вывозку сортиментов на склад потребителя осуществляет сортиментовоз с манипулятором на базе машины УРАЛ.
Продольную распиловку сортиментов на пиломатериалы на лесосеке осуществляет мобильный ленточнопильный станок Wood-Mizer LT40 с дизельным исполнением двигателя. На нижнем лесопромышленном складе используется аналогичный станок с электрическим исполнением двигателя. Технические характеристики станка представлены в приложении 2. Для перемещения мобильного станка по лесосеке и перебазировок на другие делянки используется форвардер John Deere 1410.
При сравнении рассматриваются три технологических процесса производства пиломатериалов [79].
Первый технологический процесс предполагает получение пиломатериалов на нижнем лесопромышленном складе, таблица 2.1. Второй – на погрузочном пункте, таблица 2.2 и представленный на рисунке 2.2. Третий – на лесосеке у пня, таблица 2.3, представленный на рисунке 2.3. Причем, во втором и третьем технологическом процессе предусмотрены два варианта получения пиломатериалов. Первый вариант – получение или отпуск пиломатериалов потребителю непосредственно с места производства. Второй вариант – получение или отпуск потребителю пиломатериалов на лесопромышленном складе, включающий такие операции как складирование, хранение и отгрузка готовой продукции.
При производстве пиломатериалов на лесосеке у пня затраты на транспортировку сортиментов отсутствуют. Сучья, рейки и опил измельчаются для сохра 29 нения бонитета непосредственно на лесосеке, что составляет порядка 40 % от начального объема дерева [82]. Рейки пригодны также для дальнейшей реализации потребителю, либо в связи с отсутствием спроса измельчаются с остальными отходами для дальнейшего перегнивания в качестве естественного удобрения.
Для сравнения рассматриваются технологические процессы, при которых для производства пиломатериалов используется лишь 30% сортиментов, остальные 70% транспортируются на погрузочный пункт.
Характеристика объекта исследований, места и условия проведения эксперимента
В имеющихся производственных условиях предприятия ООО «Завод Лесфорт» возможен выбор стратегии пассивного эксперимента (основное условие предприятия при проведении эксперимента – невмешательство в технологический процесс). Экспериментальные исследования проводились при среднем диаметре сортимента – 0,36 м, длине 6 м, порода – сосна.
Испытания проводились в зимнее (декабрь) и в летнее (август) время. Акт проведения эксперимента представлены в приложении 6.
Выбор измерительной и регистрирующей аппаратуры связан с нахождением компромисса между затратами, точностью и удобством использования. Для обеспечения точности измерений необходимо выполнение следующих условий [97]:
Поставленной целью производственного эксперимента было измерение потребления электрической энергии в зависимости от схемы раскроя.
Наиболее распространенными приборами для измерения и учета энергопотребления на предприятиях лесозаготовительной отрасли являются электрические счетчики (активные, реактивные) [98]. Таким образом, для учета электроэнергии, затраченной на продольную распиловку, был выбран электрический трехфазный счетчик с включением с трансформаторами тока СА4У-И672М (коэффициент трансформации 75/5). Схема включения трехфазного счетчика показана на рисун ке 3.3.
Схема включения трехфазного счетчика с трансформаторами тока Расход энергии определялся по разности показаний счетчика в моменты измерений.
Полученные данные по затраченной энергии в ходе проведения эксперимента умножались на коэффициент трансформации тока (75/5=15).
Фактический расход qф, кВтч/м3 электроэнергии на единицу продукции определяется на основе приборного учета электроэнергии: фактический расход электроэнергии на единицу продукции; W – фактический (по счетчику) расход электроэнергии на производство пилопро-дукции, кВтч; V – объем пиловочного сырья, м3. Использование электрического счетчика для определения фактического расхода электроэнергии носило определительный характер.
Для более точной и детальной оценки затраченной электрической энергии при пилении на пиломатериалы, а также возможности влияния площади сечений сучьев в пропиле и поворотов (кантований) пиловочника на затраты энергии, бы 61 ло принято решение производить измерение с помощью ваттметра активной мощности. При этом значение электрической энергии определяется по формуле W=N t, где N – мощность потребителя, кВт; t – время, за которое определяется затраченная электрическая энергия, ч.
Применение вычислительной машины в составе измерительной аппаратуры позволяет перенести основные функции преобразования и обработки в ресурсы информационных технологий.
Вышеизложенное определило выбор основной измерительной аппаратуры и создание на ее основе измерительного комплекта [99], представленного на рисунке 3.4.
В измерительный комплект входят: 1. Цифровой ваттметр ЦП 8506-120. Он предназначен для измерения активной мощности трехфазных трехпроводных цепей переменного тока частотой от 45 до 55Гц, отображения текущего значения измеряемой мощности на цифровом индикаторе и преобразования его в аналоговый выходной сигнал. Показания ваттметра от 0 до 131,6 кВт. Основные характеристики прибора ЦП 8506-120 представлены в приложении 7. Схема подключения прибора к сети представлена на рисунке 3.5.
Многофункциональный модуль сбора данных ЦАП-АЦП USB 6008 фирмы National Instruments. Устройство сбора данных (УСД) NI USB-6008/6009 присоединяется к компьютеру посредством интерфейса full-speed USB и содержит восемь каналов ввода аналоговых сигналов, два канала генерации аналоговых сигналов, 12 каналов цифрового ввода/вывода и 32-разрядный счетчик. Максимальная частота дискретизации на один канал 10 кГц, разрешение при аналоговом вводе 12 бит.
Лицензионный продукт фирмы National Instruments – LabVIEW 8.20 Student Edition. LabVIEW представляет собой среду графического программирования, предназначенную для создания прикладного программного обеспечения информационно-измерительных систем, а также различных компьютерных систем сбора и обработки экспериментальных данных [100]. Прикладная программа, созданная в среде LabVIEW, называется Виртуальным прибором (ВП). Наиболее полное описание функций среды проектирования ВП представлено в [101]. Графический интерфейс программы позволяет создавать на экране компьютера удобную панель измерительного прибора с имитацией органов управления, манипулирование которыми осуществляется с помощью мыши.
Работа измерительного комплекта заключается в следующем: аналоговые сигналы цифрового ваттметра преобразуются в цифровую форму с помощью УСД USB 6008, который состыкован с портативным компьютером. Компьютер при помощи среды графического программирования LabVIEW 8.20 осуществляет вывод на экран полученных данных, их обработку и запись результатов.
На рисунке 3.6 и рисунке 3.7 представлены блок диаграмма и лицевая панель ВП измерения мощности продольного пиления.
На блок диаграмме изображены основные функции ВП создания и конфигурирования задачи – связь и сбор данных с прибора – NI-DAQmx , каналы передачи и умножение, элементы индикации и функции записи данных.
Лицевая панель ВП представляет собой две осциллограммы: одна из них для отображения зависимости напряжения от времени, вторая – мощности от времени. Также имеется индикатор для контроля полученных значений.
Запуск ВП измерения мощности производится путем нажатия кнопки Run с лицевой панели ВП, а для остановки – кнопка STOP. Полученные данные записываются в текстовый файл результатов измерений LabVIEW с расширением .lvm, который впоследствии может быть открыт любым текстовым редактором или MS Excel.
Кластеризация пиломатериалов для нахождения амплитудно-частотных характеристик процесса лесопиления
Определение частотных составляющих и оценка распределения мощности на повороты, холостые возвратные движения и поперечные перемещения пиловочника в цикле продольного лесопиления выполнено на основе усреднения реализаций (получения оценки функции математического ожидания ансамбля реализаций) процессов с одинаковыми раскроями пиловочного сырья. Цикл продольного лесопиления включает 4 рабочих хода и 1 поворот пиловочника.
По результатам обработки получены следующие значения. Среднее время встречаемости поворота при продольном пилении составляет 41,5 с. Средняя частота встречаемости поворота: Fnoe =1/Тпов=1/41,5=0,024 Гц. Среднее время холостого возвратного движения - 20,2 с. Средняя частота встречаемости холостого возвратного движения: = l/tx=1/20,2=0,049 Гц. Среднее время поперечного перемещения - 2 с. Средняя частота встречаемости поперечного перемещения: Fnn=1/trm = 1/2=0,5 Гц.
Спектральный анализ на основе АЧХ, в соответствии рис.4.17, определил составляющие мощности на повороты пиловочника, холостые возвратные движения и поперечные перемещения. При частоте встречаемости поворотов пиловочника, равной 0,024 Гц, значение амплитуды мощности составило 2,23 кВт, оценка доли мощности поворота в цикле продольного пиления составила 12,6 %.
При частоте встречаемости холостого возвратного движения 0,049 Гц значение амплитуды мощности составило 0,454 кВт, оценка доли холостого возвратного движения в цикле продольного пиления составила 2,5 %. Поскольку среднее число холостых возвратных движений в цикле равно четырем, то, соответственно, значение и доля мощности в цикле составит 1,816 кВт (10 %).
При частоте встречаемости поперечного перемещения 0,5 Гц значение амплитуды мощности составило 0,053 кВт, оценка доли поперечного перемещения пиловочника в цикле продольного пиления составила 0,2 %. Поскольку среднее число поперечных перемещений в цикле равно четырем, то, соответственно, значение и доля мощности в цикле составит 0,212 кВт (0,8 %).
Вследствие значимости факторов потребляемой мощности на пиление сучьев и повороты пиловочника энергоэффективные схемы раскроя определяются минимизацией количества и площади сечений сучьев в пропиле, а также минимизацией пути поворотов пиловочника при распиловке в условиях лесосеки.
Основу расчета экономической эффективности производства пиломатериалов составляют данные из раздела 2.2. За базовый вариант принят процесс получения и отпуска пиломатериалов потребителю на нижнем лесопромышленном складе, а за рекомендуемый – процесс получения пиломатериалов на лесосеке у пня и при отпуске их потребителю на нижнем лесопромышленном складе. Доля сортиментов для производства пиломатериалов равна 0,3.
Одним из наиболее обоснованных для оценки технологических процессов лесозаготовок является критерий энергетического характера, а именно удельная энергоемкость процесса.
Установлено, что суммарная удельная энергоемкость при производстве пиломатериалов на лесосеке у пня в 2,5 раза меньше, чем при производстве их на нижнем лесопромышленном складе и в 1,03 раза меньше, чем при производстве пиломатериалов на погрузочном пункте, при прочих равных условиях.
Наиболее энергосберегающим является технологический процесс производства пиломатериалов у пня и имеющий в этой связи наибольшую долю энергоемкости (98,1%) на продольную распиловку.
Минимизация удельной энергоемкости лесопиления в условиях лесосеки обеспечивается следующими факторами: размещением операций заготовки и обработки древесины в максимальной степени компактности у пня или стоящего дерева;
Результаты моделирования раскроев хлыстов на сортименты и пиломате риалы на основе комплексного критерия позволяют рационально обосновать мак симальный выход сортиментов и пиломатериалов при минимальных затратах энергии на их производство в условиях лесосеки. При планировании оптимально го раскроя пиловочного сырья на пиломатериалы получаем эффект: для пиловоч ника 22 см – 0,087 кВтч/м3; для пиловочника 26 см – 0,192 кВтч/м3; для пило вочника 32 см – 1,958 кВтч/м3.
