Введение к работе
Актуальность ;теш. В настоящее время более 50/S древесины заготавливается машинами. Широкое использование машин на лесосеч- ных работах происходит в условиях вовлечения в лесопользование лесов I и И групп. Многообразие условий лесоэксплуатации требует применения различных технологий, способов рубок и "схем разработки лесосек.
Примером многообразия лесорастательных условий может служить Волго-Вятский лесоэкономический район (ВЗ JI3P).
Удорожание машинного способа производства по сравнению с механизированным многократно утягчает последствия ошибочных решений в организации работ. Одновременно усложняется процесс принятия решений, т.к. значительно возрастает число юакторов, влияющих на конечный результат. Лесосечные работы уже нельзя рассматривать без учета процессов лесовосстановления, лесотранспорта и первичной обработки древесины. Следовательно, поиск оптимальных решений возможен только при широком использовании системного анализа и методов моделирования.
Затянувшийся период освоения новой техники с неудачными попытками' использовать ее по старой технологии породили серьезное противоречие между необходимостью внедрения машинного способа работ и вызванным им интенсивным разрушением лесной среды, нарушением принципов экологичное га. ,,.-'
.. Решить данную проблему может новая, форма организации предпри-.ятий по выращиванию, заготовке.а переработка древесины, которая .требует новых, научно обоснованных принципов, проектирования лесосечных работ, предусматривающих эффективный способ лесовосстановления. В.связи с этим s основе таких принципов должен быть выбор рационального в условиях каздой лесосеки способа рубок.
- Современные, лесозаготовки ВВ. ЛЭР широко используют дороги
общаго пользования при вывозке дреааоины на' лесопромышленные скла
да с поштучной продольной подачей предмета труда в обработку.
С целью'технологического обеспечения эффективной работы в этих
условиях в диссертации рассмотрены вопросы заготовки, вывозки и
первичной обработки древесины вразнокомелицу, о подсортировкой
хлыстов; и-деревьев. .
. Машинный' способ работ значительно облегчил тяжелый труд лесозаготовителей. Однако возросла психофизиологическая нагрузка one-
раторов, что обусловило ограничение роста их производительности труда. Это противоречие может быть разрешено путем передали части функций оператора автоматическому управляющему-устройству. Поэтому разработка методики моделирования схем автоматического управления функциями лесосечных машин является весьма актуальной.
Цель исследований - разработка научно обоснованных технологических рпїїошій, повышающих эффективность и экологичность заготовки дроЕесшш машинами в условиях снижения доли концентрированных лесосек в смешанных лесах, использования на вызозкз-дорог, общего пользования, слоившейся структуры лесопромышленных складов ВЕ1ЭР.
Научная нотазна. I. Разработан новый принцип проектирования лесосечных работ, в осноив которого лежит выбор способа рубок и лесовосстанозлввия. Для его реализации составлены:
-
экономпко-ютематЕчэские модели технологических процессов лесосечных и связанных.с кики работ с учетом экологического ущерба лесозаготовок; . '
-
алгоритм, позволяющий в диалоговом рэашв Еыбирать способ рубки с последующим обоснованием оптимальной транспортной сети, системы машин, технологической схемы разработки лесосеки.
2. Для реализации нового принципа впервые предложена система
взаимодействия общества с природой в процессе лесосечных работ о- :
'подсистемами, характеризующими прэдшт.труда, условия работы маши-/
ны, оператора, технологию и готовую продукцию. " %:
Использование системы позволило:, ' ' .
1) получить модели санкционирования лесосечных манин,
дающие возможность анализировать результаты их работы в зависи
мости от способа рубки, свойств и параметров подсистем;
2) установить влияние способов подсортировки-древесины я ра~
боты с оставлением части древостоя'на производительность машин.
-
Обоснована методика выбора технологических схем разработки лесосек с сохранением подроста и подсортировкой древесины, с заготовкой, погрузкой и вывозкой полухлыстов вразнокомзлину. Новизна полученных на её основе схем и способов заготовки древесины подтверждена авторскими свидетельствами.
-
На основе новых аналитических исследований технологических параметров при работе с оставлением части.древостоя и подсортировкой древесины ' л '
І) сформулирован коэффициент компонента, определяющий долю
обрабатьгоавмой древесины при.частичной выборке древостоя;
2) получаны модели для нахождения размеров площадок, обрабатываемых с одной рабочей позиции (фронтальной ВПМ, и координаты юс центров тяжести в зависішости от угла между осягли пачки и ленты, .максимального и-минимального вылетов манипулятора.
5. Сформулирован показатель для оценки технологических схем / разработки лесосек но доле площади, отводимой для подготовительных работ. Новизна и эффективность полученных на ого основа способов разработки лесосек подтверждены авторскими свидетельствами.
6,- Экспериментальные исследования позволили получить новые статистические зависимости времени цикла обработки дерева ЗШ от параметров древостоя (объем, порода), ремша работы (обычный, с оставлением части древостоя, подсортировкой) машин.
' 7.Сформулированы новые подходы к.оптимизации вылета манипулятора ВШ, обоснованию параметров-(скорости, нагрузки на рейс) трелевочных, машин при трелевке на большие расстояния. . ' '8. Впервые методика моделирования функций.применена для разработки схем автоматического управления лесосечными машинами. Новизна полученных на её основи технических решений подтверндена авторскими свидетельствами.
Основные научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту;
принцип оптимизации лесосечных работ, в основу. которого положен выбор способа рубок и лосовосстановлваия;
методика сравнения и выбора-способов рубок леса с.последующим обоснованием-первичной лесотранспорткой сети, .'способа вывозки древесины (хлыстами, сортированным^ -хлыстами, полухлыстами и хлыстами вразиокомелЕцу, сортиментами), системы машин, технологической схемы .разработки лесосек;'?-..__
критерий экологичаости технологических схем освоения по доле площади лесосеки (погрузочные пункти, волоки, технологические коридоры), отводимой для подготовительных .работ, его выражения при работе фланговых и фронтальных машин;
методика и результаты анализа влияния рубокпри' частичной выборка древостоя, заготовке древесины с подсортировкой па технологические параметры (объем лачки, формируемый ВШ с одной рабочей позиции, длина ленты набора пачки ЇЇГ1, производительность глаппн);
методика моделирования схем автоматического управления лесс-
сечкыми машинами.'
Достоверность выводов и результатов исследований.
Основные научные положения, выводы к рекомендации подтверждены в процессе их использования на.практике. Зависимости между процессами лесовосстановления, лесосечными, лвсоскладскими работами и транспортом древесины получены методами системного анализа и моделирования. Расчеты по полученным уравнениям выполнены ла ЭВМ. Расхождения между теоретическими и экспериментальными расчетами, полученными в ходе проведения опытных рубок с естественным лесовозобновлением (на 3 предприятиях) и. подсортировкой древесины (на 5 предприятиях), составляют 0,50 ...5,66 %.
Большой объем наблюдений за работой машин в производственных условиях позволил получить достаточно точные регрессионные зависимости отдельных элементов времени обработки деревьев и хлыстов от параметров предмета труда, условий .работы, технологии, которые проверялись по соответствующим критериям математической статистики.
Практическая значимоеть. - Разработанный математический аппарат дает возможность оптимизировать технологические процессы лесосечных работ, выполняемые машинным способом в разнообразных лооо- ' растительных и лесоэксплуатационных условиях. Полученные модели и примеры расчета позволяют.с учетом групп и. типов ласа выбрать вд- ' лесообразные способы рубок и лзеовосстановления, обосновать способ трелевки к усам либо веткам, определить над вывозимой'.дрввдеины» выбрать рациональную систем машин и технологическую схему-разработки лесосек с одновременным определением оптимальных размеров делянок, оптимизировать технологические параметры, лесосечных машин. .
Методика моделирования"функций и новые технические, решения
могут быть использованы при .проектировании схем автоматического
управления лесосечными 'машинами. . . - . '
Полученные графики, технологические.схемы и способы рекомэнду-'4-ется использовать при разработке технологических карт освоения лесосек, организациии и.нормировании труда операторов лесосечных, ма- "
ШИН. " ..-"'. -;*-
По материалам исследования написаны две.монографий, три учебных пособия. Результаты исследований .используются в МарГИ при чте- '.'. нии курсов "Технология и машины лесосечных .и лвсоскладских работ", "Моделирование и оптимизация технологических процессов лесозаготовок", "Технологий несотошных рубок леса",-.."Автоматика и -автоматиза- ция производственных процессов".
На основе исследований разработано и издано "Руководство по проведению рубок.машинным способом с естественным возобновлением леса", которое введено в действие в ласохозяйственном территориально-производственном объединении (Ж ТЛО) "Марилес" в 1990г. Оно используется также в Ардатовском мехлесхозе Мордовского лесо-'хозяйственного территориально-производственного объединения. Внедрение рекомендуемой "Руководством..." технологии и .организации дает эконожчвсвий эф&вкт. (здесь и далее в ценах 1990 г.) 230...260 р.на каждый гектар разработанной лесосеки.
Эксплуатация лесовозных дорог по внедренной схеме транспортного освоения лзсосырьевой базы в Волжском Ж дает эффект 1025 тыс.р. в год.
Экономический эффект от внедрения технологии заготовки и переработки сортированных хлыстов в Медведевском лесокомбинате ЛХШО "Марилес" составляет 4900 р. в год.".
Статья в журнале "Лесное хозяйство" "Выбор схем разработки ресосек с сохранением подроста" награ-здена Почетной грамотой президиума ЦП ВЛЕТО (1939).
Работа "Технико-экономическое обоснование машин, технологии,. организации, оплаты и стимулирования труда для рубок леса с естественном лесовозобновлением" (в соавторстве) получила вторую премию на Всесоюзном конкурсе на лучшие "технические, технологические решения и организационные мероприятия по сохранению подроста при проведении рубок главного пользования (1990).
Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались и получили положительные отзывы на Всесоюзных научно-технических конференциях: "Рациональное и комплексное использование'лесных ресурсов" (1980г.), "Экономические проблемы комплексного использования древесного сырья (1982), "Состояние и перспективы управления в лесной, целлюлозно-бумажной и де-" ревообрабагывающзй промышленности" (1984), 7Эколого-географичес-кзе проблемы сохранения и восстановления лесов Севера*(1991); Всесоюзных научно-технических совещаниях: "Совершенствование техники и технологии предприятий лесной промышленности и лесного хозяйства"' (1985), "Повышение эффективности использования лесо^-заготовитачьных и лесохозяйственных шогооперациснных машин"(1987), "Эргономика и научно-технический прогресс в лесной промышленное- -ти и лесном хозяйстве " (1939), еяагодных научно-технических кон-
ферзнциях МарШІ (1930...1939), республиканской .семинаре "Технологические лєсохоз^":стбєшшє и организационные, вопроси машинного способа разработки лесосек'с сохраненном подроста" (1989), УІ- пленума областного правления Всесоюзного лесного НТО "Об исследовании- технологических, лесохозяііеїванннх и организационных вопросов рубок машинным способом с естественным возобновлением леса" (1990), научно-технической конференции ГАИТИ (1991).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 2 монографии, 3 учебных пособия, 3 брошюры, 44 статьи, получено II авторских свидетельств и 4 положительных решения.
Объем работы.Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 208 наименований.. Основной текст изложен на 2S3 "страницах машино-писного текста с 83 рисунками и 42 таблицами. В прилояаши Пред- . ставлены формализация параметров подсистем, классификация спосо- . бов подсортировки древесины, - математические модели функций машин*, результаты регрессионного анализа данных бото-хрономе траншах наблюдений за работой ыаоган с сохранение?.? подроста и подсортировкой деревьев и-хлыстов, алгоритм, программа расчета на ЭЕЛ, копии авторских свидетельств и поло-хительных решений, актов производственных испытаний и внедрении результатов на— учных разработок, протоколов соезщзний и постановлений, грамот.
I. Состояние вопроса. Задачи исследования
Машинный способ производства лесосечных работ тесно связан ' с лесовосстановленивм,' транспортом леса, лвсоскладскими работами, эргономикой'И экологией лесов.
Исследованием этих проблем занимались ВІТИ, ВНИИЛМ, КарНШШІ, КирНЖШІ, ЛТА, ДенШИЛХ, ШЛИ, МарїШ, НПО "Силава"', СевНЖП, СЇЇІШ0 ЦНИММЗ, а такне Другие организации и-учреждения, однако они не рассматривали данные вопросы во взаимной связи и взаимозависимости. Предложенные, рациональные решения носили часгний характер.
Это не препятствовало усиливащеадрся на практике дисбалансу ме:кду двумя противоречивыми тенденциями, неуклонным ростом объемов машинной заготовки древесины и вовлечением в лесопользование лесов I к П групп, что привело к негативным экологическим последствия:.!.
Отсутствовал непрерывный процесс адаптации лесосечных работ
к меняющейся обстановке, связанной с поступлением в рубку все бо-' лов незначительных по площади и запасам лесосек, расширением объемов вивози! дровесикы по дорогам общего пользования при условіш сохраняющийся з структуре лесозаготовок нігашх лесопромышленных складов с поштучной продольно;'! подачей хлнстов в обработку.
Основой диссертационного исследования является решение еле-дуюцих задач:
провести анализ лесов, виявить эффективные технологии и основина направления развития лесосечных работ ВВІЗР;
обосновать систему взаимодействия общества с природой в процессе лесосечных работ, представленную группами (подсистемами) лесотехнических факторов, характеризующих лесораститольные условия, предмет труда,'технологию, машинн, оператора .(человека); готовую продукцию;
составить - математические модели функций лесосечных машин, позволяющие выявить результаты их работы в различных режимах в широком диапазона варьирования лесотехнических факторов;
сформулировать критерий экологичноети технологичесюїх схем по дола площади лесосеки, отводимой под подготовительные работы;
сформулировать коэффициент компонента, определяющий долю обрабатываемой на определенной площади древесины при частичной выборке древостоя;
получить аналитические модели для нахождения параметров площади, обрабатываемой фронтальной валочно-пакстирущей машиной (ВЕЛ). с одной рабочей позиции, и её центра тяжести з зависимости от угла- маяду осями пачки и ленты, максимального и минимального вылетов манипулятора; ' ,
провести экспериментальные исследования технологических процессов лесосечных работ с подсортировкой древесины, нссплоешых рубок с целью выявления рациональных-приемов работы глаишн, подтверждения результатов теоретических исследований;
.разработать новніі принцип проектирования лесосечных работ, основанный на выборе способа рубок нлосовосстановления с учетом типа леса и лесорастительнкх условий;
составить экономико-математические «.вдали технологических процессов лесосечных и.связанных с ними работ с учетом экологического ущерба'.лесозаготовок;
обосновать методику выбора схем-разработки лесосек с естост-
ввннш'лэсовозобновланием, подсортировкой древесины, сформулировать принципы оптимизации параметров лесосечных машин;
применить методику моделирования функций для разработки схем автоматического управления лесоовчнши машинами.
2. Анализ лесов Волго-Вятского лесоэкономического
района
Леса республики Марий Эл, Мордовской, Чувашской республик, Кировской и Нижегородской областей, входящие в ВВ1ЭР, относятся к I (20,9$), П (45,6&) и Ш (33,5) группам. Лесопокрытая площадь (10,45 млн.га), объемы лесозаготовок (25...28 млн.м3 в год) поз-_воляют отнести ВВЛЭР к крупному лесопромышленному региону со схо-зими климатическими (средняя температура воздуха 0,8...4,1С, годовое количество осадков 420 ...624-юл, высота онеяного покрова 0,37 ... 0,8 м). и лзсорастительннми условиями.
Разнообразие групп и типов ласа (сооняки брусничные, черничные, кисличные; ельники брусничные, липовые, кисличные, черничные; березняки черничные, кисличные, липовые и др.) предопределяют многообразие способов рубок.
Наличие подроста хозяйственно ценных пород более чем 30 % вы- . деляемых в рубку лесосек способствует проведению в них лесозаготовок с естественным лесовозобновлением.
. Двухъярусные насаждения в смешанных лесах ВВДЭР требуют широкого использования.технологии с заготовкой, вывозкой и переработкой подсортированной древесины (отделение хвои от листвы, мелкото-- Варной древесины от основного потока и др.).
Отводимые в рубку лесосеки большей частью являются разрозненными, неправильной Формы, незначительными по площади и запасу,древесины. Использование для их разработки традиционных схем неэффективно.
Широкое распространение в ВВЛЭР получили комплексные лесные предприятия по выращиванию, заготовке и- переработке древесины*
3. Системный анализ и синтез технологических процессов. ' J
Критерии
Рассмотрение лесосечных и связанных с ними работ для достижения поставленных целей и задач с учетом многообразия лесотехничес-
- II -
ких факторов монет быть продуктивно при использовании системного подхода.
Лесозаготовки относятся к добывающим отраслям промшгаенности и имеют непосредственную связь с природой. В общем виде взаимодействие природы ж общества и составляющих их элементов представлено на рис.1. Природа в-течение продолжительного времени (прямио пунктирные линии) создает условия работы (СУР) и предмет труда (ОПТ). Обществу требуется продукция (СП) в виде лесоматериалов. Изучив условия работы и предмет труда, оно разрабатывает технологию и организацию производства (СТ), создает орудия труда - машины (СМ) и обучает рабочую силу - операторов (СО). Непосредственное взаимодействие систем в процессе производства отмечено сплошными линиями. Оператор, зная технологию, с помощью машин воздействует на предмет труда для получения продукции. Информация об условиях работы и предмете труда - обратная связь (сплошные волнистые линии) - поступает при помощи органов чувств оператору, который в целях достижения безаварийной работы и максимальной производительности монет изменять приемы труда.
Информация о результатах производства (волнистая пунктирная связь) поступает в-общество. Изучив ее, общество принимает меры .для повышения производительности труда, качества продукции, улучшения условий работы машн и операторов, сохранения или восстановления природной среды. Для этого оно совершенствует технологию, модернизирует или создает новую технику, улучшает методы подготов- ки операторов. .
Составляющиз систему (рис.1), подсистемы представлены в виде групп формализованных факторов. Так, СУР характеризуется 21, СИТ -14, СТ.-.64, СО -*6, СМ - 54-, СП - 28 факторами.
Наиболее- гибкой в управлении лесосечными работами является система технологических параметров С СНГ). Конкретным местом выполнения работ является лєсосека с её технологическими элементами. Такими элементами, в частности, являются схема размещения трелевочных волоков, схема движения лесозаготовительной машины (рис.2) по лесосеке, угол мевду осяглі ленты и пачки; порядок выполнения переместите'льных и обрабатывающих операций; порядок формирования штабелей лесоматериалов на лесопогрузочном Пункте.
На основе синтеза различных комбинаций рассмотренных здесь элементов с достижением какой-либо цели (заготовка древесины с подсортировкой, снижения'площади, отводимой для подготовительных
Природа р ->_,,
7г—^ -
Общество
__ __Ь^ ^ПРОИЗВОДСТВА
СП {-г^роизводитель-
' ;ные силы
Рисі. Система взаимодейст-, вия общества с природой в процесса лесосечных работ: СО - система качеств, характеризующих подготовку оператора; СТ - система технологических параметров; С J - система, характеризующая параметры машин; СУР - система свойств, характеризующих система свойств предмета труда Г СП - систа-
условия работы; СПТ
ма свойств готовой продукции
работ, разработка лесосек с'доследующим естественным лесовозоб- . новлением, обеспечение погрузки и вывозки хлыстов .и полухлыстов вразнокомелицу и т.п.) получены ноЕыа технические решения в виде технологических схем и способов разработки лесосек, защищенных авторскими свидетельствами и положительными решениями (всего 8 схем и способов).
Технологические процессы оценивались в основном известными экономическими критериями (прибылью,-удельшш'приведенными затратами, Себестоимостью). -,-:
Отводимая под подготовительные-работы площадь лесосеки, при разработке которой снижается производительность, уничтожается подрост, различна в зависимости от технологичасі-сих схем и типов (фронтальных, фланговых) машин..Для сравнения экологичности схем предложен критерий., о -- отношение площади, отводимой для подготовительных работ (Sn), ко всей площади лесосеки ($л) :
. q = 5пД. .. (D
В диссертации приведены выражения критерия g и дано сравнение 8 схем разработки лесосек фронтальными и фланговыми лесозаготовительными машинами.
4. Моделирование технологических процессов лесосечных
. работ
Модели, позволяющие установить зависимости между свойстЕаад подсистем (рис.1), являются инструментом реализации системного подхода в достижении поставленных цели и задач. /.
- ІЗ -
Рис.2. Схемы движения ЛЗМ по лесосеке: з - по расширяющемуся периметру ; б - по расширяющейся спирали
При проведении машинами рубок с оставлением части деревьев (постепенных, выборочных, сплошных с подсортировкой' и сохранением подроста) обрабатываемый древостой становится раже, увеличивается продолжительность переместительных операций и эту особенность необходимо учитывать при определении технологических параметров (длины ленты набора пачки, объема пачки, формируемого с здной рабочей позиции ЕПМ, времени цикла обработки дерева или "іачки, производительности и т.д.). Для анализа работы машин, ког-~\а очередная операция технологического процесса выполняется не іо всеї.'И деревьями (хлыстами), сфэрвдлирован коэффициент кошо-.іента Кс как отношение объема вырубаемой (при несшгошных рубах) или обрабатываемой (при заготовка с подсортировкой) .древесины йо всему, объему древесины данной площади (в данном штабеле и КлЛ:
Kl~Toy ' (2)
:де Oi - число деревьев из 10, относящихся к расчетному компоненту; V^ - средний об'іеи хлыста расчетного компонента, м3; У - средний объем хлыста в насаждении,- гл3.
При работе фронтальной-ВІН (типа ШІ-І9) пачка деревьев мояог укладываться вод различным (в зависимости от режима работы, с сохранением подроста, с подсортировкой и т.п.) углом d . к оси ленты (рис.3). Различными будут и средние углы .Д.и Лі позорота платформы БПМ с деревом при обработке', соответственно, площадок $1 и $2 с угловыми координатами их центров ifa я ф. ,
Получены аналитические зависимости pt , - Щ, , Д , >г , і і » Ьг = /(t^ Я »2 ), где Я, Z -максимальный и минимальный вылеты манипулятора ВПМ.
В процессе выполнения, работ взаимодействуют 'подсистемы СУР, СІЛ', СТ, СО, СМ, а их характер проявляется щит иоделированіи функций лесосечных, машин. Методика моделирования рассматривается на примере сучкорезной машины с подвесной стрелой.
Схема алгоритма функционирования машины для очистки деревьев
Рис.3. Схема к расчету технологических параметров фронтальной ВШ : РЩ- і- я рабочая позиция
от сучьев (І.ЮС, типа ЛІІ-ЗОБ) представлена на рис.4. Еаоки подели отражают взаимодействие оператора и машины (I, 10, II, Ї4, 18, 21, 23), оператора к технологии.(2, 19), оператора технологии и машины (3, 20), оператора и предмета труда (4), оператора машины .и предав та труда (5-8, 13), оператора и готовой продукции (22). Контролирующие действия (блоки 9, 12, 15 - 17) выполняется оператором. Таким образом,оператор механически воздействует на рычаги управлення (3, 5-8, 10, II, ІЗ, 14, 18, 20, 21), дает опенку слокиЕшайоя ситуации и принимает соответствующее решения (2, 4, 9, 12, 15 - 17, 19, 22). Постоянное напряжение ведет к быстрой утомляемости оператора.
На основе схемы алгоритма разрабатывается математическая модель. Для ее создания выполняется символизация параметров:
1у - расстояние от комля до места захвата дерева .СГ, м;
1и.о - время наведения и опускания СГ на дерево,.с; t^c - время закрытия ножей СГ, с; {с - время совмещения осей СГ и ПТ с осью дерева, с; i$.n - время закрытия нохгай ПГ, с; tnc - время поворота стрелы для укладки комля в штабель хлыстов, с; t0 - время открытия нокей СГ и ПТ, c;ty.r,{ff.p - время.установки стрелы,соответственно, в транспортное и рабочее положения, с; ЬУГ , Ша - скорость поворота стрелы, соответственно, в горизонтальной и вертикальной плоскостях, рад/с; tnut - время перехода ЮС между штабе-лями, с. .
Математическая модель процесса обрезки сучьев машиной ЛП-ЗОБ в виде блок-схемы представлена на рис.5. Для лучшего восприятия число блоков в ней соответствует числу блоков схемы алгоритма.
Блоки 2,.4, 19 пбка не поддаются формализации, так гак моделируют умственную деятельность человека. ПроДолгсительность этих
>-
.одготовитель-
ные работы-
Анализ ситуации для перехода на РІГ
Переход на РП
. /Ножи ПГ да/ закрыты?
/Все де-
jja ІЗреВЬЯ КОШО-
""' нента обраб' таны еж ной-Щ
їе\
Закрытие ножей СГ
Ствол ви-пел из ОГ?
Совмещение осей СГ и ПГ осью дерева
"С
Поворот стрелы .ідля укладки комля в штабель хлыстов*
./Все дере- х -»вья обработаХД чны на данной площадке?, '
г1Д-
Установка стре ли в транспорту, нов положение
Анализ ситуации для' перехода к следующего штабелю
г 5 '
Поворот стрелы
и наведение СГ
на дерево
г-8
Протаскивание ствола
г-Н-
Возврат каретки
,_14 .
/іфамя Д» с мены заканчивается?
Открытие ножей СГ и ПГ
Переход МОС к следующему штабелю
рА 1
Закрытив ножей ПГ
Выбор дерева нужного компонента и оценка его паравдтров
г22-
Учет резулы тов работы
23 *-
іаключйтельнне
работы
г21-
Установка стрелы в рабочее положение
Рис, 4» Схема алгоритма функционирования машины, для очистки деревьев от сучьев: РП - рабочая позиция; СГ, ПГ - соответственно сучкорезная и приемная головки
действий будет зависеть от качеств оператора.
Некоторые блоки модели могут расчленяться на элементы. Например, в блоке 20 в зависимости от мощности двигателя (N )> кассы ( GM ), коэффициента сопротивления дшкэшно машины ( Wn ) сначала определяется скорость её перемещения ыёэду штабелями ( 6Ш ), а
.- 16 -
8а
В Sod донных
L=t,2,...lni
„із '
Анализ ситуации для периода на смежицю РП
,_ц f=
,ь.
' Выбор depeSa нужного иомпанен-та а оценка его параметраб
.
^і-іт.ш^^ш.щ/гіії
у*--/,2,...,Я,
,-17
ЛЬ =ZZ
Ц= 1,2,...,ns \
r)9-Анализ ситуации для перехода к следующему штабелю
,-20-
tft Iff
^ .
io'-io + to.i. J
нет.
\ИЄТ
L=i,i,...,nt
Ґ. выдача \ у результата )
_21 _
r =^,..., п$
% = 1,1,...,П5
Рис.5. Ежж-схеш математической модели МОС
затем время іп щ . Продол;:аітельность1 блока 8 зависит от свойств СПТ (породы, массы, длины, сучковатости), значения которых носят случайный характер. В этом случае время t„ монет быть опреде-
лоно- по стохастическим моделям, составленным путем статистической обработка данных производственных наблюдений.
Критерием функционирования математической модели является сменная производительность. Время, затрачиваемое на рнполнение ''различиях действии, суммируется в блоке 16 и сравнивается со временем смоны (3600 ту>, ). Количество выработанной продукции в каядый период времени с момента начала работы фиксируется в блоке 22. Таким образом.производительность
П *.Ф К 1к Д j ШайсгВа СП Г); ф, Ох.нА/>> $ш, ty.r, .
На рис.6 представлен график зависимости производительности M0G при её работе с сортировкой хлыстов, когда в первый прием обрабатывается часть штабеля, например, лиственные деревья, а во второй - хвойные.
В диссертации также разработаны модели и проЕвдвн анализ производительности Балочных, валочно-пакетирующих, валочко-трелевочных, и других"лесосечных машин в различных ро;шыах.
5. Экспериментальные исследования технологии работы машин с подсортировкой древесины и на рубках с естественны.: гозобновлепием леса
В процессе моделирования вияснилось, что часть функций лесосечных машин зависит от конечной технологической цели: сохранения подроста, подсортировки хлыстоз и деревьев и др. На'основе экспериментальных исследований проведен анализ элементов,независимых и зависимых от конечной цели, найдены наибблое эффективные приемы ТРСШІ. проверены результаты теоретических исследований.
Эксперимента проводились б производственных условиях. За работой малин осуществлялись фотохрожшетразные наблюдения» Продолжительность операций замерялась содновременной фиксацией параметров И.СБ0Й0.Т5 СНГ (диаметр ствола в месте срезания, длина ствола, порода), СІД (расстояние глезду смежными рабочими позициями, объем форшруемои и. трелюемой пачек, скорость машины и ее рабочих органов), СТ (число деревьев в пачке, длина ленты набора пачки, ширн-т на волока и технологического коридора, продолжительность сне:ш, расстояние перехода машин между лэнташ, угол мелду осягк лент к пачек, расстояние трелевки).
Пс,% Рис.6. График зависимости / часовой произБОдитальности П 3 (сплошные линии) и процента
ЄЄ СІШ;лЄНИяПс (пуНКТИрИЫв).
^ от коэффициента компонента К и объема хлыста V
0,1 0,4 0,6 о,& К
Если продолжительность операций зависела от параметров предмета труда (объем, порода дерева), то между ними, и методом регрессионного анализа устанавливалась корреляционная зависимость.
Обработка массивов чисел и получение корреляционных уравнений велись с помощью ЭШ с использованием стандартных программ..
Производственная проверка технологии заготовки древесины с подсортировкой выполнялась с комплектами машш: МП - 5 "Урал-2" + + ТБ-І + ЛТ-89 (И, Тихвинский ЛИХ), ЛП--І7 + ТБ-І Ц', Оленинс-кий ЛТК), ЛІІ-І9А* ТБ-І (№, .Волжский ЛК), ЛЛ-І9А+ ЛП-І8Л (JM, Медведевский ЛК), ЛП-І7 (1ё5, ДОС "Калснава").
Анализ способов и наблюдения за работой машин показали, что подсортировку целесообразнее выполнять одновременно с какой-либо переместительной операцией. При валке бензопилой (комплект Ж) это осуществлялось во время сбора пачки пакетировочно-трелевочной машиной (ПТМ) ТБ-І, когда поочередно собирались хвойные, осиновые и березовые деревья с последующей их раздельной трелевкой трелевочной машиной (ТМ) ЛТ-89 в разные штабеля.
Результаты йотохронометражных наблвдений за ТБ-І показали, что снижение производительности при работе с подсортировкой древесины обусловливается увеличением длины ленты набора пачки, которая составила для еловых деревьев 94 м (объем'пачки 5,4. м3), для Г'иинозюс - 75 ы (4,04 м3), для березовых - 56,8 м (3,74 м3), а без сортировки - 58,6 м.(5,33 м3). Удельное время на. сбор пачки в с/м3.увеличилось на 10,3$.' Продолжительность.других элемент тов цикла осталась одинаковой для обоих режимов работы ( с подсортировкой и без. неё}. .'*.-
В комплекте jffi ВПМ ЛП-І7 деревья лиственных пород-после валки укладывались в формировочное устройство (ФУ) до сбора полно-грузной пачки, а хвойных - на землю. . ','
ТБ-І собирала.деревья хвойных пород с нескольких.рабочих.по- ' зиций, а лиственньк - из пачек с одной позиции и трелевала казсдый компонент в отдельный штабель. ' '
Особенность работы Ш-І7- с подсортировкой деревьев заключа-. 'ется в чередовании процессов валки деревьев с пакетированием их в ФУ шш на земле. 3 результате обработки данных хронометражних наблюдений на ЭВМ получены корреляционные уравнения вида
--А + Б-V ,' . (4)
устанавливающие зависимость времени ( і , с) доставки ЗСУ к дереву, срезания и снятия аго с пня с укладкой в ФУ (А = 46 ; Б = 19,4) и на землю (А = 35,6; Б = 19,6) от объема хлыста ХУ.м3).
Затраты времени на другие операции, выполняемые машиной ЛП-І7, не зависят от режима ее работы. Следовательно, чем меньше деревьев укладывается в 7, тем выше производительность ЛП-І7. Расчет, по данным наблюдений, показал, что ее сменная производительность при работе в. разных режимах составила при пакетировании: на земле - 122 м3, в ФУ - 112 м3,- при работе с подсортировкой -117 м3. .
Согласно'результатам наблюдений за машиной ТБ-І,удельное время при сборе деревьев лиственных пород (78,7 с/м3), собираемых в основном Ез пачек, значительно меньше, чем хвойных (10,4,6 с/м3), за счет сокращения времени переходов между рабочими позициями.
Сменная производительность ТБ-1 при трелевке подготовленных пачек составила 105 м3; при работе с подсортировкой - 96 м3. Снижение производительности составляет 6,7$, что соответствует теоретическим исследованиям.
В комплектах И 3 и 4 первый этап сортировки выполнялся ВИЛ ЛП-І9 при укладке деревьев обоих компонентов (сосна и остальная древесина) в две рядом расположенные пачки под углом 140...150 к направлению движения машины по ленте. Без сортировки деревья укладывались в одну пачку.
На основе данных фатохрономзтрака получены уравнения вида (4) для определения продолжительности срезания и укладки сосновых деревьев с подсортировкой (А = 35,9; Б = 9,2) и без неё (А = 34,7; Б = 9,2). Значения А и Б получены также и для других пород.
На другие элементы времени подсортировка древесины влияния не оказывает. Расчет производительности, по даніішл хронометражних наблюдений, показал, что она составила 243,4 м3 .при работе с под- . сортировкой и 255,3 м3 - без сортировки. Снижение производительности составляет 4,66. Теоретические.исследования дают снижение 3,5)4.
Второй этап сортировки в комплектах В 3 и 4 осуществлялся пакетировочно-трелевочной машиной (ТБ-1 или ЛП-І8А) в процессе
докомпонентного сбора и трелевки.деревьев. Так, в период наблюдений за ТБ-І средние объемы пачак составили 4,66 м3 с сортировкой . и 4,83 м3 без сортировки. Число рабочих позиций для сбора пачки составило 3,4 с подсортировкой 2 1,8 - без сортировки. Вследствие этого увеличилось удельное время парохода ПТМ мзнду рабочими-позициями соответственно с 36,5 с до 74,1 с на I пачку при трелевке, соответственно, смешанных и сортированных пачек.
При правильной технологии не происходит существенного снижения объема трелюемых с подсортировкой пачек и, следовательно, про-изводитатьности машин. Её снижение происходит за счет увеличения времени на сбор пачки на 6,3.
Проведены такие экспериментальные исследования при работе машиїш ЛП-І7 '(комплект J55) в режиме выборочной валки и трелевки одного компонента, а также в режиме валки всех деревьев на ленте с пакетированием одного из компонентов на земле, а другого -.*! ФУ с последующей трелевкой его на погрузочный пункт.
Производственная проверка технологии рубок с естественным возобновлением леса выполнялась при работе комплектов машин: ЛЇЇ-І9А + ДТ-І54 {УЛ. - ІМокий ЛП, Волке кий Ж), ЖІ-І9А+ ЛП-І8А (JS2 -Визиыьярский ЛП, Волжский Ж и Ардатовский махл8СХ0з).
Наблюдения проводились за рубками с сохранением подроста и без сохранения. После валки и трелевки подроста на лесосеке в Майском ЛИ осталось 51%, Визимьярском - 49$, Ардатовском мехлес- . хозе - 52,6%.
Пра работе с ЛП-19Ав комплекте ХЛ с сохранением подроста среднее время доставки ЗСУ к дереву, срезания и укладки его в пачку, при среднем объеме.„хлыста 0,35...0,4 м3 увеличилось на 12,9$ по сравнению с работой без сохранения подроста. В Визимьярском лесопункте аналогичное изменение составило 20$ при объеме хлыста 0,15.... 0,2 м3.
В Визимьярском ЛП снизилась скорость перехода машины ЛП-І9 .мекду. рабочими позициями с 0,2 м/с (без сохранения подроста) до 0,14 м/с (с сохранением). Это объясняется необходимостью более тщательной её установки с тем,'чтобы при обработке деревьев не повредить крупный подрост, который был на лесосека.
Динамика'влияния объема хлыста ( V ) на продолжительность цикла обработки одного дерева ( і ) для разных пород была выявлена в.процессе дисперсионного анализа статистического материала.
Общий массив данных времени Ї был распределен по градациям
объемов хлыста. Для отдельных ступеней V проводилась проверка гипотезы о нормальности закона распределения времени ( t ), для 'чего экспериментальные данные сравнивались с функцией Гауссовско-го закона распределения по стандартного отклонению, равному тройной величине среднеквадратичзского отклонения.
На ЭШ были получены регрессионные зависимости і = / ( V ) в виде полиномов первой, второй и третьей степеней (всего-14 за- ' висимостей). Их анализ показал, что наиболее подходящими для прогнозирования являются полинома первой степени (4) при обработке всех пород с сохранением (А = 39,1; Б = 32,8) и без сохранения (А = 32,4;- Б = 41) подроста.
Полиномы второй степени вида
t*A + B-V + CV* (5)
наиболее объективно отражают процессы обработки еловых с сохранением (А = 38,8; Б = 19,5; С = -16,5) и без сохранения подроста (А = 28,1; Б = 38,6; С = -20,5) и березовых с сохранением ( А =' = 30,4; Б = S3; С а - 151,5) и без сохранения подроста (А = 28,3; Б = 55,9; С = - 46,7) деревьев. Анализ уравнений показал, что при работе с сохранением подроста время цикла доставки ЗСУ к дереву, срезания и укладки его в пачку увеличивается. Динамика роста (рис.7) снимется по мера увеличения среднего объема хлыста. Так, если При объемах хлыста Y = 0,0222...0,053 и3 время увеличилось на 34...17,9/1, при V = 0,31...0,43 ^.соответственно, на 15,1... &,7%, то при V = 0,62 всего на 2,1%.
3 процессе разработки лент их ширина, объемы формируемых пачек, средние расстояния перехода машины жгду рабочими позициями (мазду пачками) не зависят от режима работы ВШ (с сохранением или без сохранения подроста).
Наблюдения за работой IT-I54 не выявили элементов цикла, на которые бы оказывала влияние работа с сохранением подроста по сравнению с работой без его сохранения. Производительность ЛТ-І54 зависит от объема формируемых ЛП-І9А пачек и расстояния трелевки. . Объемы пачек, формируемых ЛП-І9А, составили, соответственно, с сохранением и без сохранения подроста по ї-айскому лесопункту 3,7 м3 л 3,2 гі? и Вазимьярскоцу - 1,32 ы3 и 1,37 м3.
Работа машины ЛП-І8А с сохранением подроста характерна тем, что объем трелюемой пачки равен объему пакета, формируемого машиной ЛП-І9 с одной рабочей позиции. Без сохранения подроста забираются в среднем два пачки. При этом, несмотря на дополнительнее
0.І оя
Рис.7. График зависимости i = A+6V+CV2 при обработке . . деревьев ели: 1-е сохранением поДроста; 2 - без сохранения подроста.
затраты времени на переход шзду пачками, раскрытие, и закрытие заколов формировочного устройства производительность ЛП-І8А при. работе без сохранения подроста выше. Снижение производительности при работе с сохранением подроста составило А,5%.
6. Эконошко-матвматичеокое моделирование и оптимизация технологических процессов лесосечных работ
Структура задачи оптимизации технологических процессов лесосечных работ на основе выбора способа рубок и лесовосстановления представлена на.рис.8. Лесооырьавая база предприятия распределяется на зоны по группам леса и типам лесорастигельных условий -(т -типов). Для каждой зоны из п -способов рубок, d и g -комплекс тов лесосечных машин, тр л р - возможных схем разработки лесосек необходимо найти- такое их сочетание, при котором целевая функция -имела бы минимальное (удельные приведенные затраты) щпгмак—? .сиг-ильное (прибыль) значение.
Экономико-математическая модель расчета удельных приведенных затрат (УИЗ) Ц имеет вид п
где U,i ~ ^3 соответственно на лесовосстановительные ().
лесосечные ( Цг ), транспортные операции по лесовосстановяешш и
вывозке древесины ( Ць ), лесоскладские работы ( Ц$ ), на компен-
сацию экологического ущерба лесозаготовок (Us)» р/м3; .-
Ъсур ,. $спт , 5ст , $см , Sen - свойства, характеризующие соот
ветственно условия работы, предает труда, технологию, машины и
готовую продукцию.
В диссертации приведены аналитические модели для нахождения значений Hi . Проведенные расчеты показали, что по сравнению со' сплошной рубкой имеют преимущество (по ценам 1990 г.) следующие рубки: а) сплошная с сохранением подроста -'311,6 р.на I га; б) равномерно-постепенная двухприемная - 344,4 р..на I га;
Группа!Тип ласа и!Способы рубок!Первичная !Технологи-!Комплект ! ласа !дасорасїи-!и ласовосста-!лесотранс-!чвский про'.лесосочных !
'тельных іновлошш іпортная !цасс ласо-!машин !
{условий ! . ! соть '.заготовок ! !
Схема разработки лесосеки '
2ЛЛЛЛК^|2ЛЛЛЛ.Т|^ 2-Л.1ЛЛИ^Ч2ЛЛЛ.Ы1
Задан j
Зада-- j
на
2.1ЛЛ.1.<Ц 2.I.I.I.J-.V 1
2 ЛЛ .4 ЛКЧ2 Л Л .4.ТЛТ^2 Л Л. 4ТОП
2Л.1ЛЛКЧ,2.1Л.4./.ГГХ(2ЛЛ.-0^Г1
2Л.»ЛЛ.К^|2Л.ПЛЛ.ЇГХ|2Л.ПЛ"ХЛ
2л.я1икЧ2.і>пді7ТІГчй.і.я ,і.О
2Л.П,4..1|^;2Л.П.4ЛТІРЧ2Л. /1.4Л.Я
2Л.ПАЛ\ґ^2ЛМА.ГлТ^\2Л.ПА.І.РІ
2птЛЛЛІ^2.шЛЛЛлТ^І2жГЛ.І^І 2.тЛЛ.1^Ч2^ділЛ.^ТТрЧ2"ЖГЛ.І .vj гТтлЛТТКЧг .т. і. 4TfTTpN2^iT4~TFl
2МЛАЛ^^ЛА.Л\~~\2.т.І.4Л У]
_ т . т
! Рассчитать ; Выбрать ! Выбрать j
! «(эадан)_ Х- '_
2^п.пЛЛ\^^.т.пЛлЖ^2.т.пЛЛ.Р\ ЖП. І ^И^^^П_Л^ІЗ^Ч2^^Д/1^ІЛ^ 2.т.пЛЛКрІХпЛЛЛІ^ 2с/гі,«;4.^^|2Ж7ГЛ^ІЛ1^27/Л.л ,4.І^Р]
Выбрать і "«»""<»« j Папа,1," і "ии^ахв ! Вибрать Рис,8. Структура граф-охвмц оптимизации технологических процессов лесосечных работ
в) чересполосно-пасечная - 407,6 р.на I га вырубленной и леоо-возобновлеЕноа площади. - '
Алгоритм диалогового выбора способа рубок и дальнейшего проектирования лесосечных работ представлен на рис.5.
Обоснование лесотранспортной сети рассматривается на примере сравнения и выбора вариантов трелевки к усам либо веткам. В лесо-сырьевой базе с магистралью и ватками к отдельным лесосекам лесовозные усы могут прокладываться {I вариант) или не прокладываться- (П вариант). Лесопогрузочные пункты в варианте I располагается около уса, в варианте П - около ветки.
В первом варианте значительно короче расстояние трелевки и выше производительность трелевочных машин* а во втором - короче расстояние вывозки и выша производительность лесовозного транспорта* Во втором варианта также отпадает необходимость в затратах на строительство и содержание усов.
ЛЗЗ по этим'двум процессам (Цр Д2, рДі3) будут состоять из суммы затрат на валку и пакетирование деревьев (Hj р % j) > трелевку ( 2»% 2^» обустройство погрузочных пунктов (%#з»% з^' ' вывозку древесины CUj 4, До ^), строительство и содержание усов ( 5), строительство и содержание веток (Цт g, Ц2 q)'
Алгоритм предусматривает определение оптимальных расстоянии между погрузочными' пунктами, усами и ветками и при этих значениях вычисление суммарных УПЗ для каждого варианта. Оптимальным*будет вариант, у которого эти затраты меньше.
'Характер зависимостей %,% = / (М . О ) представлен на рис.10. Из графика видно, что при средней скорости трелевки . . 1,0 м/с выгоднее трелевку осуществлять к усам. Трелевку к веткам целесообразно выполнять при нагрузках на рейс более 12 м3 при скорости 2 м/с и более Эм3 - при. скорости 3 м/с.
Изложенная методика позволяет одновременно выбрать способ трелевки к усам или веткам,, определить оптимальные размеры делянок, обосновать важнейшие параметры - нагрузку на рейс и скорость трелевочных машин.
Вывозка полухлыстов о. целью соблюдения нормативных габаритов автопоездов при их движении по дорогам общего пользования находит в ВВДЭР широкое применение. Во избежание снижения райсйвых нагрузок автопоездов, неравномерной загрузки их осей грузить полухлнс-ты необходимо вразвокошлицу.
Для обеспечения погрузки -шлухлыстов вразнокомолицу разрабо-
%"вод СР v ш ТЗП для заданного ТЛ
/- Ввод ИНДЄК-\ /са выбранного1
„2
Банк данных о группах ТЛ
r.I3
Банк таксац. описания ТЛ
,.15
Банк данных о комплектах ЛСМ
Банк данных о СР и их ТОП
Вывод такса-пион, описания\ заданного ТЛ
г~
Выбор ком- \ плекта ЛСМ Л
* "Выбор схе-'мы транспорт-} ного освоения/ делянок
5?Выбор спосо- . / ба трелевки.и] V оптим.разме-\срв делянок,
*ет
Ісиямеет1
ся таксац.\ нет ^писание, лесд :еки?
"Зыводсис-тем ЛСМ для выбранного СР/
ьанк данных о схемах трансп освоения деля-нок
Банк данных о системах ЛСМ
Занк моделей зыбора способа трелевки к уса\ либо веткам
20.
данк моделей расчета производительности и ТЭП машин
Расчет производительности и ТЭП
Вывод результа) та
23 "Составление технологи-\ ^ческой карты цазрайлесосек
Рис.9. Схема-алгоритма диалогового проектирования лесосечных работ: ТІ - тип леса; ЛСМ - лесосечные машины; СР - способ рубок
Рис.10. График зависимости УЕВ Ц от объема пачки М при трелевке к веткам (1,3,5) и усам (2,4,6) со скоростями движения:
1,2 - гГ = I м/с; 3,4 - гГ=2 м/с;
3,4 - if = 3 м/с.
тано несколько способов освоения лесосек при обрезке сучьев и вершин деревьев как на пасеке или ленте (с трелевкой вершинами и комлями вперед), так и на погрузочном пункте. Данные способы, защищенные а.с, позволяют формировать на погрузочном пункте'штабеля со смешанной комлевой направленностью при любых заранее заданных пропорциях, обеспечивать с аналогичным эффектом загрузку само-погружающихся (с манипулятором) автопоездов, а также значительно уменьшить затраты на подготовительные и основные лесосечные работы.
Преимущество технологического процесса с вывозкой полухлыстов вразнокомалицу достигается за счет увеличения рейсовой нагрузки автслесовозного транспорта. Разработанная методика позволяет определить границы эффективного использования данной технологии.
Экономикс—математическая модель сравнения способов вывозки вразнокомалицу (I вариант) и с единой комлевой направленностью (Ш включает УПЗ на подготовительные и основные лесосечные работы, погрузку и вывозку древесины и лесоскл-адские работы. *
Сравнение суммарных затрат по всем фазам лесозаготовок пока
зало, что при расстояниях вывозки более 20 км применение предлага-
емого способа загрузки и вывозки полухлыстов вразнокомалицу весьма
эффективно. Эффективность растет с ростом расстояния вывозки. Так,
при расстоянии вывозки 80 км экономия з ценах 1990 г. достигает
0,5 р на I ы3 вывозимой древесины. . - .
На примера заготовки древесины с подсортировкой рассматрива- . ется методика выбора комплекта машин с одновременным обоснованием схемы освоения лесосеки.
При валке (рпс.ІІ,зона2) ВПМ I всех деревьев на ленте 2 первый компонент 3 укладывается на землю, а второй 4-а формировочное устройство (ФУ) до сбора полногрузной пачки. В паре с ВШ (I вари-
Рис.II. Способ разработки лесосеки фланговыми SIM (БПТМ) и ШМ при заготовке древесины с подоортировкой
ант) работает пакетировочно-трелевочная машина (ПТМ, типа ТБ-1)5, которая поочередно собирает деревья 3 и. погружает -пачки 4 с одной рабочей позиции с последующей их трелевкой по волоку 6 на погрузочный пункт 7 в разные щтабеля. Фланговая ВПМ при разработке лент движется по лесосеке го расширяющееся от технологического коридора 8 периметру.
Такое же движение совершает ВШ по лесосеке и при заготовке древесины с подсортировкой в процессе-валки, когда при обработке лент сначала валят и Формируют в пачки деревья первого компонента, а затем, при повторном прохождении, - второго. В этом случае у волоков формируются полно-грузные пачки обоих .компонентов, поэтому в паре с ВПМ целесообразнее использовать трелевочную машину ТМ (П вариант).
В первом варианте в более благоприятном положении находится ЕШ, т.к. она валет все деревья на ленте за один проход, тог-, да как во втором необходим двойной (при двух компонентах) проход по ленте.
В то же время ТМ является более производительной, чем ИМ, так как трелюет готовые пачки.
Формулы для определения удельных себестонмостей.работ двух, вариантов, соответственно, имеют вид:
% = WWl +WW <7) %= «вшЛш.2ЛЛм- (8) '
где ДБШЛі Оцты» Дги - себестоимости мапшно-сшн:' ВШ, ЕШ, ТМ,р; '
IL г, iLmi2 ~ производительность ВШ при ее работе, соочвєтстеєн-
но, по первому и второму вариантам, м3; .^^ - производитель-,
кости ПТМ и ТМ, їл3. - -
Графики зависимостей удельной себестоимости от объема хлыста ( Y ), запаса леса на I га (
Когда комплект машин определен, возникает Еопрос о его опте-' калькой эксплуатации. Предположим, комплектом машин ВШ {типа ЛП-49) + ГПТЛ (типа Ж-І8Г) необходимо вести заготовку иодсорткро-ваннкх деревьев. Исходя из критерия а , для..фланговых машин более целесообразной будет схема (рис.11). В зоне І ВІШ I при валке всех деревьев на ленте укладывает первый компонент 3 на землю, а второй 4 - в ФУ до сбора полногрузной пачки с последующей трелевкой его по волоку 6'на погрузочный пункт ?. Сбор в пачку и трелевку первого компонента осуществляет ЕШ.
Таким образом, в зоне I лесозаготовительная машина работает в режиме ВПТ, а в-зона. 2 - ВП./Задача'заключается в поиске оптимальной границы этих зон. Экономико-математические модели двух процессов имеют, соответственно,вид
% - W%.I*W'ty%.I» «) V"W%.2
- 29 -,
тываемого ИШ в зоне I.
Зависимости себестоимости работ от расстояния трелевки (& ) и запаса леса на'1 га (q. ) представлены на рис.13. Граничное значение с показано штрихпуактирной линией. Левее от этой xz&zi более.целесообразно ВШМ использовать в режима- "валка- пакетирование - трелевка первого компонента", а правев - в режиме "ватка - пакетирование". С ростом-запаса леса на I га граничное расстояние трелевки несколько увеличивается.
По схемам (рис.14) заготовка древесины может осуществляться при сплошных с сохранением подроста, постепенных, чэресполосно-пасечных рубках. Фронтальная ВИД (рис.14,а), обрабатывая ленту 2, укладывает деревья в пачки 3, располагающиеся вслед машины. За счет этого сохраняется подрост 4. После обработки очередной ленты BUM переходит на следующую, преодолевая расстояние (I + Л, )-Д ; где А --ширина ленты, м; r\i - число необработанных лент, приходящихся на одну обработанную (при сплошных рубках nt= О, чересполосно-пасечных п{ - 1,2,..., и т.д.).
Ш 5 трелюет пачки комлями вперед к тому усу 7, к которому направлены комли. За счет этого, почти в 2 раза увеличивается среднее расстояние трелевки и снижается производительность ТМ.
По схеме 14,6; в менее благоприятных условиях раб?тазг ВПМ I, которая после обработки очередной ленты 2 по технологическому коридору .8 возвращается в дальний конец делянки.
ГМ работает в. более благоприятных условиях, так как комли всегда направлены к одному-усу 7, а ширина делянки в 2 раза меньше.
Рис.14. Схемы разработки лесосеки с естественным лесовозобновлением при трелевке на два (а) и один (б) ус
Удельные себестоимости работ по схемам (рис.14,а и б) находятся соответственно по формулам (7) и (8). Нюансы технологии огранены в моделях производительности машин. Проведены расчеты для системы машин ЛП-І9 + ЛТ-І54,' построен график зависимости Ц =/(ЛД. Согласно графику (рис.15), при І у -=. 350 м целесообразнее работать по схема а. Во всех других случаях более эффективной будет схема б. Дальнейший анализ показал-, что граничное, значедие будет расти при увеличении скорости и. нагрузки на рейс трелевочной машны^ если система машин будет, например, ЛП-54 + ЛТ-І57.
В работа приведена методика и пример -оптимизации вылета манипулятора ( Ropi ) фланговой ВПМ, формирующей пачки на земле. Целевая функция включает удельные приведенные затраты по циклу ра-бот "валка, пакетирование, трелевка системой машин ВШ + ТМ". Выбранное значение Порі позволяет обосновать рациональную нагрузку на райе трелевочной машины.
- ЗІ -
Р/М* 3
Рис.15. График зависимости себестоимости работ (1L) от расстояния между -усами iiy ) при работе по схемам рис.14а(2) и 146(1)
7. Разработка схем автоматического управления лесосечными машинами
Разработка схем автоматического управления (САУ) как реальный путь снижения психофизической нагрузки операторов и повышения производительности может осуществляться по предлагаемой методике -моделирования 53УНКЦИЙ лесосечных машин. Основа САУ закладывается при составлении схем алгоритмов ^акционирования (рис.4) .на этапах изучения конструкции машин и технологии, анализа свойств предав та труда и условий работы в нормальных и критических состояниях.
В дальнейшем определяются исходя из технических возможнос
тей границн действия САУ и разрабатывается схема
алгоритма его функционирования (рис.160. В данном случае САУ за
меняет действия оператора с 6 (рис.4) по 12 блоки.
' Следующий этап - составление математических моделей операций. Так, например,, операция 7j (закрытие нолей СТ) произойдет, если ноші ПГ открыты (х|), и каретка в исходном положении (Х^)»и"ствол дерева в СГ (Х3), и, нони. СГ открыты (х|) или отоши от исходного положения У\ (условие памяти), и последующая операция (поворот стрелы в ВП) не выполнена ( Yz ), т.а.
71 =4 * '4 ' 4 ' <х4 + у1> ' Ч ' "(И)..
После разработки аналогичных моделей других операций.осуществляется синтез, дащий вполне определенную структуру САУ (рис.17), выполненную на логических элементах И (23-31).ИЛИ (32-36), НЕ (37-46). На схеме датчики 4-13 означают: раскрытое положение ножей ПГ (II.Xj), правое положение каретки (13^), наличие ствола в СГ (9,Хд),- раскрытое положение ножей СГ (4Д4), ограничение угла поворота стрелы з Ш (5,Xg), предельное давление в ГЦ управления ножами-СГ (6,Xg), ограничение угла поворота стрелы в ГП {7,1^), наличие ствола в ПГ (S,Xg), предельное дав-
Зклвчить ГЦ СГ на зажим дерева
г II Включить ГЦ -поворота стрелы в ВП
т/Углы на-нет/" клона стрель" \Ж деоева к
торизотнту
да
с- Давление
в ГЦ СГ в
норме? ,
Включить ГЦ поворота стрелы в ГЛ
±
Отключить ГЦ поворота стрелы в. ВП
да
Ї6 Ноеи ПГ \ве
закрыты? \
от'даретка в ' левом край-\да нам положении?
Отключить рабочий ход каретки
Г 20
Включить msocf да той ход карет
,_ 23 г—
Открыть ножи СГи ПГ
т/Каретка в" у правом край-\ нам долохе-
Дерево вьшио из СГ
\ НИИ?
ГІЗ *-
Включить рабочий ход каретки
.17 ,
TR Давление 2 ГЦ ПГ в .норме?
Включить ГЦ ПГ.на закрытие ножей
Рис.16. Схема алгоритма функционирования САУ сучкорезной машины: СГ - сучкорезная, головка; ПГ - приемная'головка; ВП - вертикальная плоскость; ГП - горизонтальная плоскость; ГЦ- гидроцилицдр
ленив в ТО управления ножами ПГ (10, Хд)," левое положение карат-, ки (12,Х10). ' '
Изложенная методика моделирования САУ использовалась при разработке устройств управления.водочно-пакетирующей, .валочно-
.-33-
m^
т-м
CF4
г-ЭЧ
Ц +УІ
гШ~
г~
_Бз
Х2+Ч
N
:ю+1
U 29
ЗО
Ч.
ІІІНзбір-^
У7
Рис.17. Схема устройства управления сучкорезной машиной на логических элементах
трелевочной и сучкорезно-раскряжевочной машн,:на которые получены авторские свидетельства.
Разработка оптимальных технологических цроцессов лесосечных работ современными машинами при проведении рубок в условиях смотанных лесов I, П и Ш групп, снижения доли концентрированных лесосек, возрастания негативных экологических последствий вырубок является важной народнохозяйственной задачей.
Научно обоснованные технические решения по способам разработки леоосак и схемам автоматизации управления лесосечными шишами вносят'значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Проведенные исследования позволили сформулировать основные положения оптимизации технологических процессов лесосечных работ.
I. В условиях снижения доли концентрированных лесосек, вовле
чения в лесопользование смешанных лесов П и I групп,, роста объе
мов машинной заготовки древесины проектирование лесосечных работ
следует начинать с выбора способа рубок и лесовосстановления в
зависимости от типа лвсораогигельных условий с последующим обосно
ванием транспортной сети, системы машин, технологической схемы
разработки лесосек. . . ,
Предложенные экономике—математические модели дают возмож
ность выбора оптимального варианта с учетом экологического ущер
ба и затрат на лвсовосстановительяыв, лесосечные, лвсоскладские
работы и транспорт древесины. . , '
. 2. Примером многообразия типов леса и леоорастительннх условий может служить Волго-Вятский ласоэкономичзский район. Смешан- . нне леса 1,11 и Ш групп ВВЛЭР более чом на трети его территории обеспечены подростом хозяйственно ценных пород. Это требует широкого применения рубок с естественным возобновлением ласа.
Многоярусные насаждения и сложившаяся структура лесозагото
вок ВВЛЭР обусловливают применение на предприятиях технологии
заготовки, погрузки, вывозки и переработки-подсортированной дре-.
весины и хлыстов вразнокомалицу. ,
3. Машинный опособ работ ведет к усложнению технологии и организации производства, росту числа факторов, .влияющих на процессы. Их игнорирование или упрощение приводят:к значительно более ощутимым потерям, нежели при механизированном способе.
-
Учет многообразия факторов возможен при системном анализе процессов. Одним из вариантов такого анализа может быть разработанная система взаимодействия общества с природой в процессе лесосечных работ с подсистемами, характеризующими предмет труда, условия работы, технологию, оператора, машины, готовую продукцию.
-
Разработанные модели функционирования лесосечных машин дают возможность установить взаимозависимость свойств подсистем и прогнозировать результаты их работк при варьировании факторов в широком диапазона с необходимой точностью.
Математические модели позволяют сопоставлять влияние различных способов рубок, способа, числа и соотношения компонентов подсортировки на производительность машин.
Так, для работн с подсортировкой древесины рекомендуется системы машин, включающие ВПМ и ЇІШ. Цри этом, по сравнению с работой в обычном режиме (без сортировки), снижение производительности ВПМ тем меньше, чем больше ширина обрабатываемой ленты. Снижение производительности ПТМ увеличивается при росте числа кодшонентов, уменьшении расстояния трелевки и запаса леса на I га При проведении рубок с естественным возобновлением ласа процент снижения производительности ВПМ падает при росте объема хлыста.
-
При работе машин-с подсортировкой древесины и проведении рубок с естественным возобновлением леса, когда вырубается часть древостоя^ для вычисления производительности ж других технологических параметров рекомендуется применять коэффициент компонента (степень изреживания), представляющий собой отношение вырубаемого (при несплошых рубках) или обрабатываемого объема (при работе с подсортировкой) древесины, заготовляемого с единицы площади, ко зсему объему древесины данной площади.
-
Отводимая под подготовительные работы доля площади лесо-:экй, при разработке которой снижается производительность труда
і на которой такке уничтожается подрост, различна в зависимости >т технологических схем и- типов (фронтальных либо фланговых) маши. Оценка этой площади по сформулированному показателю позволя-IT выбрать технологическую охему с наименьшими объёмом шдготови-'вльных работ и площадью уничтоженного подроста.
. 8. Статистический анализ результатов производственной про-арки технологии лесосечных работ с подсортировкой древесины, со-ранениом подроста, при проведении черес-аолосно-пасечной рубки озволили установить причину и величину дополнительных затрат
времени на обработку І дерева, его валку и пакетирование, а также трелевку древесины: ..
для ВПМ фронтального типа снижение производительности при работе с сортировкой деревьев обусловливается необходимостью более точной укладки компонентов в разные стороны пачки, а при работе с сохранением подроста - уменьшением скорости звеньев манипулятора при выполнении приемов и увеличении среднего угла ново- ' рота платформы в процессе пакетирования;
при объемах хлыста 0,6 м3 и более работа с сохранением части древостоя и подроста не оказывает существенного влияния на время цикла валки и пакетирования, т.к. при таких объемах скорость звеньев манипулятора снижается настолько, что оператор ус-пвБает реагировать на дополнительные препятствия, связанные с сохранением подроста, тогда как при объемах 0,02...0,05 м3 время цикла увеличивается на 34...18$;
полученные регрессионные модели рекомендуется использовать в технико-экономических расчетах, в честности при вычислении производительности "машин и нормировании труда;
нормирование -груда операторов при работе машин с оставлением подроста либо части древостоя ис подсортировкой древесины должно быть дифференцировано с учетом запаса леса на I га,,доли его. выборки, среднего объема хлыста,, породы заготовляемых деревьев. С помощью полученных регрессионных моделей и математических зависимостей определяется процент снижения норм выработки;
снижение'производительности ІШ обусловливается меньшим ОбЪв--
мом трелюемых пачек (при работе с сохранением подроста) и увели
чением длины ленты набора пачки (при. работе с подсортировкой дре- .
васины); '
сортируя деревья ВІЇ.'', меньший компонент следует, укладывать в -'формировочное устройство, а преобладающий - на землю.
9. Защищенные а,с. способы разработки лесосек позволяют выполнять заготовку древесины с подсортировкой, проводить рубки с . естественным возобновлением леса серийно выпускаемыми машинами в условиях незначительных по площади, неправильной ijc-рма лесосеках. ' При одновременной заготовке древесины с сохранением подроста и подсортировкой хлысты рекомендуются сортировать сучкорезной машиной на лесопогрузочном пункта. Эффективность работы будет зави- . сеть от выбранной технологии, организации, оплаты и стимулирования труда.
10. Наиболее эффективна вывозка полухлыстрв на расстояние
более 20. ..25 юл с их заготовкой и погрузкой вразнокомелицу.' Раз
работанное способы погрузки полухлкстов -вразнокомолиц/ самоход
ными лесопогрузчиками и с.амогогружающш.мся -автопоездами позволя- .
гот экономить (в ценах 1990 г.) до 0,5 р. аа I м3 вьшозимой Дре-
ВеСННЫ. .
II. Для условий Волго-Вятского района наиболее перспективной, рубкой с естесг'венньм возобновлением леса при машинном способе выполнения работ является чересполосно-пасечная с годовым экономическим эффектом- до 400 р. на каждый гектар площади лесосеки.
12."Проектирование первичной лесотранспортной сети следует начинать.с обоснования целесообразности строительства лесовозных усов. Наряду с выбором оптимальных расстояний мезду ветками и . усами разработанная методика дозволяет обосновать, оптимальные параметры трелевочных мамин при трелевке на боль/лив расстояния,
-
Выбор технологических схем разработки лесосек следует вести с учетом оптимальной транспортной сети, эффективной работы систем лесосечных машин, при одновременном решении технологичес-кїїх задач; проведения рубок леса с естественна! лесовозобновлением;, заготовки древесины с подсортировкой; погрузки к вывозки полухлыстов -вразнокомелицу и т.д. Для такого выбора разработаны и .рекомендуются экономико-математические модели.
-
Выбор.технологических параметров лесосечных машин будет оптимальным в том случае, если анализу подвергается система машин в целом. Для оптимизации технологических параметров ВИЛ, ПТМ и Ш рекомендуются разработанные математические модели, графики, которые могут использоваться 'таксе- при обосновании оптимального вылета манипулятора BUM и нагрузки на рейс IM.
-
В обозримой перспективе нет эсффективных технических решений, способных заменитьцикличнг.й способ работы машин, основанный, как правило, на использовании манипулятора. Реальный путь повышения эффективности таких-машн - передача части функций управления от оператора к автоматическому устройству.
-
Одним из путей разработки схем автоматического управления лесосечными машинами является предложенная методина моделирования-управляющих устройств." Полученные на её- основа технические решения рекомендуются для конструирования систем автоматического управления лесосечными машинами.