Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Ресурсы низкокачественной древесины и способы её переработки 8
1.1 .Использование низкокачественной древесины 8
1.2. Особенности переработки низкокачественной древесины 13
І.З.Схемьі раскроя низкокачественной древесины 17
1.4.Выбор лесопильного оборудования для переработки низкокачественного сырья 19
Выводы .24
ГЛАВА II. Теоретическая часть 26
2.1.Классификация технологий по переработке низкокачественной древесины , ...26
2.2.Выбор математической модели и её алгоритма 32
2.2.1. Обоснование целевой функции , 33
2.3. Построение математической модели исследования 36
Выводы 41
ГЛАВА III. Анализ размерно-качественных характеристик низкокачественного сырья 42
3.1.Основные сведения 42
3.2. Результаты натурных наблюдений 44
Выводы 45
ГЛАВА IV. Методология построения математической модели исследования 46
4.1. Методология исследования влияния здоровой зоны древесины на выход пиломатериалов 46
4.2. Производственная проверка теоретических разработок 50
4.3. Исследование возможности дозагрузки оборудования низкокачественной древесиной 58
Выводы 65
ГЛАВА V. Оценка экономической эффективности переработки низкокачественной древесины на пиломатериалы и щепу в общем технологическом потоке 66
Заключение 73
Список литературы
- Особенности переработки низкокачественной древесины
- Построение математической модели исследования
- Результаты натурных наблюдений
- Производственная проверка теоретических разработок
Введение к работе
Россия - крупнейшая лесная держава. Площадь лесного фонда Российской федерации составляет почти 12 млн. км2. Более 25% мировых запасов древесины на корню сосредоточено в России.
Все леса по хозяйственному и функциональному назначениям распределены на 3 группы. Распределение площадей лесного фонда центрального региона Российской Федерации по группам лесов, тыс. га показано в табл. 1. приложение I.
Из таблицы видно, что центральный регион России по своим хозяйственным и функциональным назначениям отнесён к I и II группе лесов, которые характеризуются ограниченной эксплуатацией.
Основными лесообразующими породами в центральном регионе являются берёза, сосна, ель, осина. В табл. 2 приложения I показано распределение запаса древесины по основным лесообразующим породам, млн. м .
В центральном регионе преобладают лиственные породы, примерно 72%, в частности берёза. За последние 5 лет еловые насаждения погибли на общей площади более 20 тыс. га. Негативная тенденция увеличения площади лиственного хозяйства объясняется низким спросом на такую древесину, и, как следствие, ведёт к сокращению использования расчётной лесосеки.
В насаждениях хвойных пород 50% площади занимают спелые и перестойные древостой. Динамика возрастной структуры лесов, % показана в табл. 3. приложения I.
Общее старение еловых древостоев, особенно на площадях, где лесопользование ограничено или практически отсутствует привело к широкому распространению корневых и комлевых гнилей.
Среди основных проблем использования лесов центрального региона России, как и всех лесов первой и второй групп, выделяется недостаточный уровень лесопользования: - расчётная лесосека используется менее чем на 50%;
- накопление перестойных одновозрастных древостоев, связанное с ним снижение эффективности выполнения экологических функций лесов и потеря качества древесины;
- накопление малоценных мягколиственных насаждений, особенно перестойных;
-ив целом снижение экологического и ресурсного потенциала лесов.
При современном уровне ведения лесного хозяйства уже к 2010 году из-за потери товарного качества древесины в связи с перестоиностью насаждений объём лесопользования снизится на 0,56 млн. м3. Кроме того, главным нерешённым вопросом остаётся ограниченное потребление лиственной древесины.
Средний возраст насаждений за последние 30 лет увеличился в 1,5 раза: с 36 лет в 1966 г. до 54-х лет, в том числе по хвойным породам - на 15 лет, твёрдолиственным - на 21 год, мягколиственным - 19 лет [40].
Динамика структуры земель лесного фонда, породного состава лесов за последние десятилетия свидетельствуют о приоритетном использовании лесов в качестве источника сырьевых ресурсов. В то же время снижение размера пользования древесиной, исключение из главного пользования 50% лесных земель запретных категорий защитности (лесопарковая хозчасть и др.) и отсутствие мощностей в области по переработке низкокачественной мягко-лиственной древесины приводят к нерациональному использованию лесных ресурсов, замедлению темпов улучшения качественного состава лесного фонда.
Таким образом, следует отметить, что в лесах центрального региона имеется значительный объём перестойной древесины низкого качества с преобладанием мягколиственных пород.
Рациональное использование лесных ресурсов является важной задачей, стоящей перед лесозаготовительными предприятиями. Кроме правильного проведения рубок главного и промежуточного пользования по лесоводческим требованиям существует необходимость эффективного использования низкокачественного древесного сырья.
Целью работы является обоснование области эффективности производства технологической щепы из низкокачественной древесины с одновременным получением пиломатериалов в условиях лесозаготовительных предприятий.
Для исследования выделенных особенностей по переработке низкокачественного сырья были сформулированы следующие задачи диссертационной работы:
- выявить особенности переработки низкокачественного сырья с учётом схем раскроя сырья, лесопильного оборудования;
- провести анализ размерно-качественных характеристик низкокачественной древесины;
- разработать математическую модель технологического процесса по переработке низкокачественного сырья на пиломатериалы и технологическую щепу в общем лесопильном цехе;
- провести эксперименты с математической моделью лесопильного цеха, для того чтобы выявить, в каких случаях целесообразно получать из низкокачественной древесины пиломатериалы и технологическую щепу, а в каких только технологическую щепу;
- провести экспериментальную распиловку низкокачественного сырья на пилопродукцию с целью выявления зависимости выхода пиломатериалов от степени поражения сырья гнилью;
- провести сравнительный анализ показателей экономической эффективности основных вариантов переработки низкокачественного сырья;
- разработать рекомендации по использованию низкокачественного сырья для дозагрузки технологического потока лесообрабатывающего цеха.
В результате анализа размерно-качественных характеристик низкокачественного сырья было выявлено, что на лесозаготовительных предприятиях имеется в значительном объёме низкокачественное сырьё пригодное для переработки на пилопродукцию. При применении предлагаемой технологии решается вопрос о переработки низкокачественного сырья, в том числе лиственных пород на пиломатериалы и технологическую щепу. Лесозаготовительные предприятия могут получить дополнительную прибыль используя переработку технологического сырья в общих технологических потоках сократив при этом затраты на содержание и эксплуатацию специализированных цехов, освободив тем самым производственные площади.
В ходе исследования по распиловке низкокачественного сырья были выделены следующие схемы раскроя: в развал, круговая, сегментно-тангентальная. Так же проведён анализ лесопильного оборудования. Для предлагаемого технологического процесса целесообразно применение ленточнопильных станков.
Экспериментальная распиловка низкокачественного сырья на пиломатериалы выявила зависимости выхода пилопродукции от степени поражения сырья гнилью.
Эксперименты с математической моделью позволили решить вопрос о переработке низкокачественного сырья на технологическую щепу и пиломатериалы в общем технологическом потоке. Получена граница степени поражения сырья гнилью, при которой решается вопрос в каких случаях производить распиловку низкокачественного сырья на пиломатериалы, а в каких выпиливать гниль и из качественных остатков получать технологическую щепу.
Сравнительный анализ показателей экономической эффективности переработки низкокачественного сырья показал, что предприятия могут получить дополнительную прибыль от внедрения данной технологии.
Основные положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях Московского государственного университета леса за период 2000-2004 гг. и отражены в 4 опубликованных статьях.
Разработанные рекомендации могут применяться при реорганизации, реконструкции и проектировании технологических процессов лесообрабатывающих цехов с дополнительной распиловкой низкокачественного сырья на пилопродукцию и технологическую щепу, а так же в учебном процессе.
Особенности переработки низкокачественной древесины
Приведённые выше особенности организации лесообрабатывающего производства указывают на целесообразность создания в леспромхозах таких цехов, которые могут обрабатывать различные виды сортиментов на продукцию нескольких наименований в общих технологических потоках [Редькин А.К., Шадрин А.А., Никишов В.Д., Суханов А.К.], [65].
Одним из перспективных направлений в развитии лесообрабатывающего производства в условиях лесозаготовительных предприятий является создание комбинированных цехов, отличительной особенностей которых является возможность обработки в них круглых лесоматериалов различ 14 ного назначения в общих технологических потоках. Создание комбинированных цехов обуславливается необходимостью повышать загрузку оборудования в цехах, которая может существенно снижаться вследствие колебания объёма лесозаготовок, неравномерности объёмного выхода определённых видов сортиментов от раскряжёвочных установок вследствие изменений таксационных характеристик разрабатываемых лесосек, изменчивости параметров сырья, поступающего в цех на обработку, и т.п. [65].
На рис. 1.3 и 1.4 показаны структурные схемы возможных вариантов технологических процессов комбинированных цехов [64].
Теоретически невозможно разобрать лесообрабатывающий процесс, обеспечивающий полную загрузку станков, особенно при малых интен-сивностях входящих потоков круглых лесоматериалов. Поэтому повышения загрузки станков можно достичь за счёт их универсальности и возможности обработки различных видов древесного сырья на необходимую продукцию. При этом функции универсального станка может выполнять один или несколько станков технологического потока (чаще головной), который обрабатывает несколько видов сортиментов. К ним можно отнести шпалорезные, круглопильные, ленточнопильные, окорочные станки, рубильные машины и т.д. [65].
Схемы раскроя брёвен играют важную роль в процессе переработки сырья, при правильном выборе которых повышается выход пилопродукции и минимизируются объёмы отходов. Для получения рационального объёма пиломатериалов из технологического сырья необходимо выбрать такую схему раскроя, которая бы позволяла учитывать особенности древесного сырья. Достичь этого возможно только с помощью индивидуальной распиловки, которая позволяет комбинировать способы раскроя сырья. В результате чего можно снизить уровень отходов и добиться максимального выхода готовой продукции.
Рис.1.5. Схемы раскроя: 1- сегментно-тангенциальная, 2- сегментно-радиальная, 3 и 5-сегментно-развальные, 4- сегментно-брусовая, 6- брусово-круговая.
ЦНИИМЭ проведён анализ схем раскроя брёвен с ядровой гнилью при распиловке вразвал, с брусовкой, по сегментно-тангенциальной и бру-сково-круговой схемам (рис. 1.5). Для выработки пиломатериалов и для получения короткомернои пилопродукции рекомендуется развально-сегментный способ, он считается наиболее эффективным, [62]. В том случае, если направление волокон не имеет особого значения для получения заготовок, то наиболее приемлемой является сегментно-тангенциальная схема раскроя. В качестве примера, ниже рассмотрены схемы кругового раскроя брёвен в потоках с головным ленточнопильным станком, а так же состав делительного оборудования за ним, [15].
Наиболее стабильным качественным показателем является средневзвешенный коэффициент сортности пиломатериалов. На данном этапе работы коэффициент сортности просчитать не представляется возможным, так как о сортном выходе пиломатериалов теоретически говорить сложно. Результаты могут быть только приблизительными и существенно отличаться от экспериментальных выводов.
Схемы раскроя низкокачественных брёвен в своих работах рассматривали учёные: Ветшева В.Ф.[15,16], Малькевич MB.[15,16], Малыгин Л.Н.[43,44], Кислый В.В.[32], Образцов С.А.[51,52,53], Коперин Ф.И.[35], Анапольский М.П[5], Яунсилс У.Э.[28], Кошуняев Б.Щ37,38] и др.
Построение математической модели исследования
Математическая модель строится для 2 вариантов технологических поточных линий. Первый вариант традиционный - линия производства технологической щепы, в специализированном цехе, второй - линия производства пилопродукции и технологической щепы в лесопильном цехе, в котором наряду с раскроем качественного сырья проводится распиловка низкокачественных брёвен на пиломатериалы и щепу.
Первый вариант - линия производства технологической щепы в специализированном цехе. Низкокачественная древесина кряжуется пилой АЦ - 1 на чураки длиной 1 м, затем чураки поступают на гидроколун, удаляет гниль и расколотые чураки подаются на окорку к окорочному барабану КБ 4 и затем сырьё поступает в рубительную машину МРГ 20. Готовая щепа посредством пневмотранспортной установки ПНТУ 2М поступает на склад кучевого хранения.
Второй вариант - линия производства пилопродукции и технологической щепы в лесопильном цехе. Предварительно сырьё проходит сортировку и окорку. Качественное сырьё распиливается на пилопродукцию на ленточно-пильном станке ЛБ-100. Затем пилопродукция торцуется на торцовочном станке ЦКБ-40, необрезные доски, если такие имеются, по необходимости проходят обрезку на станке Ц2Д7А и подаются на склад готовой продукции.
Распиловка низкокачественного сырья производится так же на ленточно-пильном станке ЛБ - 100 в зависимости от степени поражения гнилью. Брёвна, содержащие гниль, распиливаются на доски, гниль выпиливается благодаря выбранным схемам раскроя. Затем доски торцуются на торцовочном станке ЦКБ - 40, в зависимости от схемы раскроя брёвен, необрезные доски проходят обрезку на станке Ц2Д7А, и подаются на склад готовой продукции. Кусковые отходы, рейки и пр. подаются в рубительную машину МРГ 20 для получения технологической щепы. При значительном содержании гнили производится удаление гнили посредством раскроя брёвен на брусья, в которых остается гниль, и сегменты, которые затем подаются в рубительную машину для получения технологической щепы.
В математической модели учтено разделение на потоки - задаётся процентное содержание качественных и низкокачественных брёвен. Такое разделение позволяет оптимально загрузить оборудование и выявить соотношение разнокачественных брёвен, которое будет давать предприятию дополнительную прибыль.
В результате анализа технологических процессов по переработке низкокачественного сырья, при сложившихся экономических условиях, отмечена недостаточность разработанных ранее технологий.
Разработана структурная схема технологического процесса по переработке низкокачественного сырья на технологическую щепу и пиломатериалы в общем лесопильном потоке, позволяющая повысить доход предприятий.
Выбрана математическая модель исследования предлагаемого технологического процесса, которая строится для двух потоков.
Для адекватного функционирования математической модели необходимо провести: - анализ размерно-качественных характеристик низкокачественной древесины; - эксперименты с математической моделью с целью получения зависимости выхода пиломатериалов от относительного содержания гнили. Так же рассмотреть возможность дозагрузки оборудования низкокачественным сырьём; - экономическую оценку эффективности предлагаемого технологического процесса.
При совместной распиловке качественного и низкокачественного сырья в общем технологическом потоке предполагается поступление к головному ленточнопильному станку брёвен с разными размерно-качественными показателями. В связи с этим необходимо предварительно теоретически изучить влияние размерно-качественных характеристик низкокачественного сырья на выход пиломатериалов.
Изучение размерно-качественных характеристик низкокачественной древесины проводилось на 4-х лесозаготовительных предприятиях: Щёлковский УОЛХ, Солнечногорский ЛК, Вологодские ЛК - «Мета-лес» и «Белый ручей». Для этого проведены натурные наблюдения.
Исследование по группам толщин в соответствии с ГОСТ 9463-88 и ГОСТ 9462-88 показало, что в данных объёмах выборки имеются мелкие лесоматериалы (толщиной от 6 - 13 см) в размере 2,9%, средние лесоматериалы (толщиной от 14-24 см включительно) в размере 59% и крупные лесоматериалы (толщиной от 26 см и более) в размере 38,1%. Распределение низкокачественной древесины по толщине по 4 лесозаготовительным предприятиям показано в табл.3.1.
Результаты натурных наблюдений
Основное условие совместной переработки разнокачественной древесины в общем технологическом потоке лесообрабатывающего цеха является недостаточность качественного сырья для полного использования производственных мощностей, применяемого оборудования. Это следует из того, что загрузка оборудования может существенно снижаться вследствие колебания объёма лесозаготовок, неравномерности объёмного выхода определённых видов сортиментов от раскряжёвочных установок вследствие изменений таксационных характеристик разрабатываемых лесосек, изменчивости параметров сырья, поступающего в цех на обработку, и т.п. Таким образом, совместная переработка разнокачественной древесины возможна для повышения использования оборудования.
Для переработки низкокачественного сырья в условиях лесопильных цехов необходимо определить, какая часть этой древесины может использоваться совместно с качественным сырьём для дозагрузки. Расчет объёма брёвен для дозагрузки низкокачественным сырьём проводится по формуле ен=Л сх(1-Л),м3 (4.5) Я К D С .м_ Q"M сменная производительность головного станка при различных схемах раскроя (круговой, развальной и сегментно-тангентальной), м3/см; R - доля загрузки станка низкокачественным сырьём;
Далее относительные значения ядровой гнили а разбивалась на интервалы по диапазонам 0...аь ai...a2, ...» ац-..aj. Каждый диапазон ограничивается конкретным относительным значением aj а. В зависимости от схемы раскроя низкокачественного сырья и предельного значения а, представлены графики на рис.4.5 - 4.16.
В результате моделирования получен выход пиломатериалов и щепы из низкокачественной древесины в зависимости от относительного содержания гнили в брёвнах.
Проведена производственная проверка теоретических разработок по распиловке низкокачественной древесины. В результате экспериментальной распиловке получены значения выхода пиломатериалов в зависимости от схем раскроя и степени поражения сырья гнилью. После обработки данных получены уравнения регрессии. Таким образом, экспериментальная распиловка подтвердила не только возможность, но и необходимость получения пило-продукции из низкокачественной древесины.
Исследован вопрос о дозагрузке оборудования, тем самым, лесозаготовительные предприятия могут дополнительно получать прибыль от выхода пилопродукции полученной от распиловки низкокачественного сырья, отпускная цена на которую выше, чем цена на технологическую щепу.
Компьютерная программа математической модели технологического процесса по распиловке низкокачественного сырья в общем лесопильном потоке FANG-04 написана в Visual Basic, распечатка указана в приложении V.
Как уже отмечалось, критерием оптимальности является максимум удельной прибыли. Заключительным этапом построения математической модели является определение экономической эффективности предлагаемой технологии.
Расчёт экономической эффективности организации производства в лесообрабатывающем цехе основан на удельных показателях прибыли и приведённых затрат на 1 м3 обрабатываемого сырья. Прибыль рассчитывается по формуле (2.9). Приведённые затраты по принятым положениям [46,47] рассчитываются по формуле: 3 = С + Е„К, (5.1) где С - удельные эксплуатационные затраты на обработку принятого объёма сырья, руб/м ; Е — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; К — удельные капитальные вложения, необходимые для обработки принятого объёма сырья, рубУм3.
В связи с тем, что при изменении соотношения объёмов древесины от разных видов пользования изменяется и общий годовой объём переработки, в состав производственной себестоимости товарного выпуска, в соответствии с Методическими рекомендациями по планированию, учёту и калькуляции себестоимости продукции лесопромышленного комплекса от 2002 г. [47], включены следующие статьи: - затраты на оплату труда производственных рабочих; - единый социальный налог; - расходы на содержание и эксплуатацию; - цеховые расходы; - общехозяйственные расходы; - прочие расходы.
По правилам определения эксплуатационных затрат [47] все приведённые статьи расходов были приняты на 1 м3 сырья.
Разработанная математическая модель даёт возможность определить, в каких случаях целесообразно получать из низкокачественного сырья пило-продукцию, а в каких технологическую щепу. На рисунках 5.1-5.3 показаны графики зависимости удельной прибыли и удельной себестоимости от относительного содержания гнили в брёвнах (а) для лесопильного и щепового цехов. Зависимости указаны для трёх схем раскроя.
Пересечение удельного значения прибыли и удельной себестоимости даёт точку - оптимальное условие разное для щепового и лесопильного цехов. Для определения размерно-качественных характеристик сырья, которые необходимы для получения пиломатериалов из низкокачественной древесины в лесопильном цехе надо, , значения показателя а лежали до точки пере сечения, если значения попадают за пределы этой точки - выпиливать гниль и из качественных остатков получать технологическую щепу. Для щепового цеха имеется ограничение 0,5 а 0,6. Таким образом, брёвна имеющие показатель а 0,6 не имеют возможность для дальнейшей переработки, т.к. затраты на производство щепы превышают значение возможной прибыли.
Таким образом, при а 0,3 - 0,6 в зависимости от схемы раскроя, целесообразно проводить распиловку низкокачественного сырья на пилопродук-цию, при значении а 0,6 - выпиливать гниль из брёвен и из качественных остатков получать технологическую щепу в общем потоке.
Производственная проверка теоретических разработок
Как уже отмечалось, критерием оптимальности является максимум удельной прибыли. Заключительным этапом построения математической модели является определение экономической эффективности предлагаемой технологии.
Расчёт экономической эффективности организации производства в лесообрабатывающем цехе основан на удельных показателях прибыли и приведённых затрат на 1 м3 обрабатываемого сырья. Прибыль рассчитывается по формуле (2.9). Приведённые затраты по принятым положениям [46,47] рассчитываются по формуле: 3 = С + Е„К, (5.1) где С - удельные эксплуатационные затраты на обработку принятого объёма сырья, руб/м ; Е — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; К — удельные капитальные вложения, необходимые для обработки принятого объёма сырья, рубУм3.
В связи с тем, что при изменении соотношения объёмов древесины от разных видов пользования изменяется и общий годовой объём переработки, в состав производственной себестоимости товарного выпуска, в соответствии с Методическими рекомендациями по планированию, учёту и калькуляции себестоимости продукции лесопромышленного комплекса от 2002 г. [47], включены следующие статьи: - затраты на оплату труда производственных рабочих; - единый социальный налог; - расходы на содержание и эксплуатацию; - цеховые расходы; - общехозяйственные расходы; - прочие расходы.
По правилам определения эксплуатационных затрат [47] все приведённые статьи расходов были приняты на 1 м3 сырья.
Разработанная математическая модель даёт возможность определить, в каких случаях целесообразно получать из низкокачественного сырья пило-продукцию, а в каких технологическую щепу. На рисунках 5.1-5.3 показаны графики зависимости удельной прибыли и удельной себестоимости от относительного содержания гнили в брёвнах (а) для лесопильного и щепового цехов. Зависимости указаны для трёх схем раскроя.
Пересечение удельного значения прибыли и удельной себестоимости даёт точку - оптимальное условие разное для щепового и лесопильного цехов. Для определения размерно-качественных характеристик сырья, которые необходимы для получения пиломатериалов из низкокачественной древесины в лесопильном цехе надо, , значения показателя а лежали до точки пере сечения, если значения попадают за пределы этой точки - выпиливать гниль и из качественных остатков получать технологическую щепу. Для щепового цеха имеется ограничение 0,5 а 0,6. Таким образом, брёвна имеющие показатель а 0,6 не имеют возможность для дальнейшей переработки, т.к. затраты на производство щепы превышают значение возможной прибыли.
Таким образом, при а 0,3 - 0,6 в зависимости от схемы раскроя, целесообразно проводить распиловку низкокачественного сырья на пилопродук-цию, при значении а 0,6 - выпиливать гниль из брёвен и из качественных остатков получать технологическую щепу в общем потоке.
Предприятия могут получать дополнительную прибыль от переработки низкокачественной древесины не только на технологическую щепу но и от распиловки сырья на пиломатериалы. Дополнительная прибыль от переработки на щепу может составить 84 - 176 рубУм3. При загрузке основного лесопильного потока низкокачественным сырьём прибыль может достичь от 25-32%, в зависимости от схем раскроя и степени загрузки от ОД-0,9.
При различных схемах раскроя наблюдается изменение удельной себестои мости от 280 рубУм - 375 руб./м . Приведённые данные сгруппированы в
таблице 5.1.
