Введение к работе
з Актуальность темы. В настоящее время лесопромышленный комплекс Российской Федерации прочно входит в список наиболее динамично развивающихся отраслей народного хозяйства. Лесозаготовительное производство является одной из основополагающих составных частей этого комплекса. Проводимая, Правительством РФ, политика на ограничение экспорта круглых лесоматериалов, способствовала увеличению перерабатываемых мощностей внутри страны, что привело к увеличению спроса на круглые лесоматериалы. Динамические условия рынка требуют максимального сокращения времени производства лесоматериалов, повышения их качества и эффективного использования отходов лесозаготовок. Поэтому многие лесозаготовительные предприятия перешли на сортиментную заготовку древесины. Процесс производства сортиментов на лесосеке в своей основе носит стохастический характер, вызванный случайным характером распределения деревьев и статистическими факторами согласованности работы машин и оборудования в системе.
Появление на рынке множества различных лесозаготовительных машин и оборудования, известных и малоизвестных фирм, рассчитанных на выполнение отдельных технологических операций, не позволяет формировать высокопроизводительные системы машин функционально взаимосвязанных между собой выполнением последовательных технологических операций в стохастической системе «технология-лес» и вписать их в известные технологии.
Наиболее информативными показателями эффективности технологий являются их удельная энергоёмкость и удельная производительность, которые должны определяться не по аддитивному принципу согласования операций, а по синергетичности их выполнения.
Технологический процесс на лесосеке в своей основе является статистическим, он вызван случайным характером распределения естественных древостоев и стохастичностью работы комплексов машин и механизмов. Статистический характер выполнения работы определяется средними значениями параметров и их дисперсиями, которые служат критерием качества технологических операций. Необходима полная синхронизация последовательно выполняющихся технологических операций, чтобы свести к минимуму флуктуации во времени производственного процесса, не допуская простоя, или образования очередей.
Одной из основных операций на лесосеке является раскряжевка хлыстов. Объём сортиментной заготовки непрерывно увеличивается в виду её экономической выгодности и экологичности, поэтому разработка оптимального метода раскроя хлыстов на лесосеке востребована производителями лесоматериалов.
4 Отходы лесозаготовок являются важной частью природных ресурсов России, они должны стать основным сырьевым ресурсом для развития биоэнергетической промышленности, способной решать задачи энергетической и экологической безопасности регионов. На рынке представлен широкий спектр дизельных установок различной мощности, поэтому обеспечение их газогенераторными установками, производящими газогенераторный газ из отходов лесозаготовок, является экономически обоснованным.
К сожалению, до настоящего времени вопросу повышения эффективности лесозаготовительного производства круглых лесоматериалов в стохастической системе «технология-лес», проведению специальных исследований в этом направлении уделялось недостаточно внимания и проблема остается нерешенной.
В современных экономических условиях динамика развития лесозаготовительного производства связана с решением целого комплекса задач, решаемых проблему совершенствования лесозаготовительного производства на основе формирования наиболее энергосберегающих технологий, как единых систем машин и оборудования, оптимизации последовательно выполняемых технологических операций в стохастической системе «технология-лес», распределения ресурсов производства лесозаготовительных предприятий между технологиями, эффективного использования древесных отходов в условиях неистощительности, а в перспективе и расширенного воспроизводства лесных ресурсов и др.
Цель исследования: Повышение эффективности лесозаготовительного производства на основе оптимизации технологических процессов применяя принцип самоорганизации функционально взаимосвязанных машин, механизмов и оборудования, последовательно выполняющих технологические операции и путем использования отходов лесозаготовок в качестве сырья для газогенераторных установок с целью получения электрической энергии на лесосеке.
Основные задачи исследования: 1.Обосновать критерии функциональной связанности лесозаготовительных машин при синхронизированной и десинхронизированной работе систем машин в стохастической системе «технология-лес».
2.Определить критерий целостности, регулирования и качества технологических операций лесозаготовительного производства. 3.Сформулировать наиболее информативные критерии эффективности работы лесозаготовительных систем машин: производительность, мощность, удельную производительность, удельную мощность; - на основе которых производится оптимизация технологических процессов в стохастических условиях.
5 4.Построить математические модели распределения деревьев по площади в естественных древостоях, как однородного случайного поля и статистического технологического процесса как стационарного случайного поля. 5.Разработать методику оптимального раскроя хлыстов на лесосеке на основе методов нелинейного программирования на целочисленной решетке. 6.Раскрыть статистическую закономерность формирования дисперсности измельченной древесины в передвижных рубительных машинах. 6.Построить математическую модель сушки измельченной древесины в естественных условиях.
7.Разработать методику распределения общего объема производства лесозаготовительного предприятия между используемыми технологиями на основе минимизации общего функционала стоимости затрат, методом квадратичного программирования.
9.Создать опытную газогенераторную установку для проведения на ней экспериментальных исследований.
10.Разработать методику расчета основных массогабаритных и энергетических параметров газожидкостных установок с дизелем.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы теория исследования систем, математические методы оптимизации, теория вероятностей и математической статистика, статистическая механика, методы нелинейного и квадратичного программирования, теория оптимального эксперимента. Научная новизна работы:
1 .Разработана математическая модель оптимизации работы систем машин лесозаготовительного производства на основе их самоорганизующейся функциональной взаимосвязанности в процессе выполнения технологических операций в стохастических условиях.
2.Определены значения наиболее информативных критериев эффективности работы лесозаготовительных систем машин, последовательно выполняющих технологические операции в статистической системе «технология-лес».
3.Построены математические модели распределения деревьев по площади в естественных древостоях как однородного случайного поля и стохастического технологического процесса как стационарного случайного поля. 4.Разработаны методики расчета оптимального раскроя хлыстов на лесосеке методом нелинейного программирования и распределения ресурсов производства лесозаготовительного предприятия между используемыми технологиями методом квадратичного программирования. 5.Построены математические модели дисперсности щепы в передвижных рубительных машинах и ее атмосферной сушки.
6 6.Разработана методика расчета основных массогабаритных и энергетических параметров газогенераторных установок, работающих по газожидкостному циклу, используемых отходы лесозаготовок в качестве сырья для получения электрической энергии.
Значимость для теории и практики заключается в том, что технологический процесс лесозаготовок рассмотрен как динамический процесс, в котором времена циклов производства единицы продукции и затраты единицы энергии выступают основными регуляторами эффективности системы машин, участвующих в технологическом процессе лесозаготовительного производства. Построенная математическая модель влияния синхронизации и десинхронизации технологических операций на производительность лесозаготовительных комплексов позволяет определять наиболее эффективную технологию лесозаготовок с минимальным уровнем флуктуации выполняемых операций.
Предлагаемые методики расчета оптимального раскроя хлыстов на лесосеке и распределения ресурсов производства между технологиями позволяют лесозаготовительным предприятиям повысить эффективность лесозаготовительного производства на 8-10%.
Выполненные исследования дают возможность создавать газожидкостные энергетические установки задаваемой мощности из отходов лесозаготовок для получения электрической энергии, в том числе непосредственно на лесосеке, что позволит совершенствовать технологический процесс лесозаготовок и повысить его эффективности на 10-15%.
Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:
1.обоснован синергетический принцип оптимизации работы систем механизмов, машин и оборудования, последовательно выполняющих технологические операции, и его критериальное представление; 2. сформулирована математическая модель определения наиболее информативных критериев оценки эффективности работы комплексов механизмов, машин и оборудования: эффективных производительности и мощности, эффективных удельных производительности и энергоемкости в стохастических условиях выполнения операций;
3 .разработаны математические модели однородного поля деревьев в естественных древостоях и стационарного случайного динамического процесса производства на лесосеке;
4.разработаны методики расчета оптимального раскроя хлыстов на лесосеке и распределения ресурсов производства лесозаготовительного предприятия, между используемыми технологиями, методом квадратичного программирования;
7 5.исследована математическая модель формирования дисперсности щепы рубительными машинами и ее атмосферной сушки;
6.создание опытной газогенераторной установки с дизельным приводом и участие в многофакторном эксперименте с целью получения методики расчета основных массогабаритных и энергетических параметров газогенераторных установок работающих по газожидкостному циклу.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международном семинаре «Био-энергетика-2004» (Пушкин, 2004 г.); Международной конференции «Состояние и перспективы использования возобновляемых источников энергии в муниципальной энергетике» (СПб, 2008 г.); Международной конференции «Развитие инновационного и производственного сотрудничества между финскими и российскими средними и малыми предприятиями в секторе биоэнергетики» (Котка, 2008 г.); первой международной научно-практической Интернет конференции «Леса России в XXI веке» (СПб, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины: пиломатериалы, фанера, деревянные дома, заводского изготовления, столярно-строительные изделия» (СПб, 2009 г.); Научно-технической конференции «Наука и образование для лесопромышленного комплекса России» (Москва, 2012 г.); и ежегодных научно-технических конференциях СПбГЛТА в 1988-2011 гг.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения изложенных на 234 страницы, списка литературы включающего 162 наименования, содержит 48 рисунков, 50 таблиц, приложения.
