Введение к работе
Актуальность темы.
Важнейшую роль в лесопромышленном комплексе играют лесозаготовки, эффективность которых в настоящее время недостаточна. Одна из важнейших причин этой ситуации заключается в том, что задача экономически эффективного комплексного освоения не только деловой, но и энергетической древесины окончательно не решена. В связи с этим древесина, остающаяся на лесосеке после лесосечных работ, не вовлекается в промышленный оборот. Например, в Республики Карелия процент дров, используемых для энергетических целей в общем топливно-энергетическом балансе, не превышает 4 %, а лесосечные отходы практически не используются. Сбор отходов после сортиментной заготовки, преобладающей на СЗФО, требует значительных трудовых и финансовых ресурсов, что делает их освоение не рентабельным.
Сегодня на рынке техники для заготовки сортиментов и лесосечных отходов преобладают зарубежные машины и оборудование. В частности, фирмы Финляндии, Швеции активно продвигают свои машины. Такая успешная экспансия связана с отсутствием конкурентоспособной техники отечественного производства. Учитывая экономический потенциал лесопромышленного комплекса, такая страна как РФ должна иметь свое лесное машиностроение. Для этого нужны новые технические и технологические решения.
Несмотря на работы, выполненные в ЦНИИМЭ, СПбГЛТА, МГУЛе, ГНЦлеспроме, Воронежской ГЛТА, Марийском техническом университете, ПетрГУ, КарНИИЛПе, Северном (Арктическом) федеральном университете и др. НИИ и вузах страны, для решения задачи комплексного освоения лесных ресурсов требуются проведение дополнительных исследований, направленных на разработку конкурентоспособных технологических и технических решений, повышающих эффективность и комплексность заготовки деловой и энергетической древесины.
Безусловно, эта задача должна решаться на современном уровне научно-технического развития с использованием методов математического моделирования и современных информационных технологий, включая разработку методов решения возникших задач. Все это в целом обусловило постановку названной темы и ее выполнение в Петрозаводском государственном университете.
В связи с этим сформулированная задача, относящаяся к направлению «Рациональное природопользование», входящему в перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в России. Решение данной задачи весьма актуальна, поскольку позволит повысить эффектность и комплексность лесозаготовок.
Цель исследований.
Разработка технологических и технических решений, позволяющих повысить эффективность заготовки сортиментов и лесосечных отходов, базируясь на использовании методов вероятностно-статистического и функционально-технологического анализов.
Объекты и методы исследований.
Технологические процессы и машины лесозаготовительной отрасли для заготовки деловой и энергетической древесины. При исследовании применялись мето-
ды вероятностно-статистического анализа, математического моделирования, математического программирования, вычислительные эксперименты на ЭВМ, натурные эксперименты, хронометражные наблюдения. При разработке новых технических и технологических решений применялись: морфологический анализ и его модификации, функционально-технологический анализ, элементы функционально-стоимостного анализа.
Научная новизна.
Разработана и апробирована математическая модель для анализа технологических процессов заготовки леса в сортиментах с использованием комплекса машин «харвестер + форвардер» и выработки рекомендаций по повышению их эффективности. Модель опирается на методы вероятностного анализа, развитого в теории очередей.
Доказано, что повышение эффективности сортиментной заготовки леса в рассмотренных условиях может быть осуществлено путем применения лесозаготовительных машин в комплектации «два харвестера + два форвардера».
Обоснован более эффективный метод заготовки деловой и энергетической древесины, а также компоновка и основные параметры лесозаготовительной машины для его реализации.
Разработана математическая модель для определения рационального вылета манипулятора валочно-трелевочно-процессорной машины (ВТПМ) в зависимости от природно-производственных условий.
Разработана имитационная модель поступления деревьев в коник ВТПМ, с целю последующего определения необходимой мощности двигателя и грузоподъемности самоходного шасси для данной машины.
Теоретическая и практическая значимость.
Доказана эффективность применения методики, основанной на вероятностно-статистическом анализе, к лесозаготовительным процессам. Результаты исследования могут дать основу для принятия решений при выборе технологий и систем лесозаготовительных машин в различных природно-производственных условиях. Кроме этого результаты могу быть использованы при проектировании новых конструкций машин, обеспечивающих заготовку деловой и энергетической древесины. Работа выполнена в рамках важнейших НИОКР Республики Карелия (госконтракт № 125 2009 г. «Научно-методическое сопровождение процессами функционирования лесопромышленного комплекса Республики Карелия в условиях принятия спектра полномочий, ранее осуществляемых федеральным центром», № 126 2009 г. «Мониторинг состояния и прогнозирования развития лесопромышленного кластера Республики Карелия», № 16.515.11.5052 «Проведение проблемно-ориентированных прикладных исследований и формирование научно-технического задела для создания инновационной системы и методов использования и воспроизводства лесных ресурсов на базе новых технологий интенсивного лесопользования, обеспечивающих условия для рационального природопользования без нарушения устойчивости лесных экосистем с ориентацией на малозатратные и ресурсосберегающие технологии»).
Научные положения, выносимые на защиту:
Обоснование эффективности использования методологии, опирающейся на методы вероятностного анализа, развитого в теории очередей, для моделирования лесо-
заготовительных процессов и разработанной на этой основе математической модели процесса функционирования комплекса «харвестер + форвардер».
Рекомендации по повышению эффективности лесозаготовительного комплекса «харвестер + форвардер» путем использования комплекса машин в составе «два харвестера + два форвардера».
Результаты статистических экспериментов по оценке параметров случайных процессов функционирования комплекса «харвестер + форвардер» в виде статистических характеристик для предприятия ЗАО «Шуялес».
Технологические и технические решения, повышающие эффективность освоения древесной биомассы.
Математическая модель для определения оптимального вылета манипулятора новой лесозаготовительной машины и полученные на ее основе рекомендации.
Имитационная модель поступления деревьев в коник лесозаготовительной машины и полученные на ее основе рекомендации по мощности двигателя на трелевке и грузоподъемности самоходного шасси валочно-трелевочно-процессорной машины для разных регионов России.
Достоверность научных исследований подтверждается значительным статистическим материалом, полученным в реальных природно-производственных условиях Республики Карелия, использованием фундаментальных методов теории вероятности и математической статистики, непротиворечивостью полученных результатов этим теориям, адекватностью разработки моделей, внедрением результатов исследований.
Апробация работы. Основные результаты исследований были обсуждены на Международных научных конференциях «Леса России в 21-ом веке» (С-Пб, 2009), «Север и Арктика в новой парадигме мирового развития» (Апатиты, 2010), «Се-вергеотех-2009» (Ухта, 2009), «Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике» (Петрозаводск, 2010), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2010 и 2011), на заседаниях НТС КарНИИЛПКа ПетрГУ и кафедры технологии и оборудования лесного комплекса ПетрГУ.
Публикации. Основное содержание работы представлено в 16 опубликованных работах, из них - 3 публикации в центральных рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, 2 - патента и 1 - свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения, списка использованной литературы из 300 наименований. Общий объем работы: 190 с, 73 рисунков, 38 таблиц, 92 формула.
