Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика условий повышения достоверности оценки результатов производства пиломатериалов 35
1.1. Значения объема круглых лесоматериалов, используемые в технологических расчетах 35
1.2. Значения объема отходов сортиментов, используемые в технологических расчетах 41
1.3. Значения объема пиломатериалов, используемые в технологических расчетах 45
1.4. Выводы по главе 49
Глава 2. Влияние отклонений размеров круглых лесоматериалов на их объем 51
2.1. Общие методические положения 51
2.2. Влияние изменения формы по длине сортимента на определение его объема 53
2.3. Влияние изменения формы поперечного сечения сортимента на определение его объема 57
2.4. Влияние погрешностей измерений размеров бревна на определение его объема 59
2.5. Выводы 65
Глава 3. Исследование продольного раскроя круглых лесоматериалов, сориентированных по двум образующим 66
3.1. Общие методические положения 66
3.2. Результаты сопоставительного анализа вариантов раскроя по выходу пиломатериалов при способе ориентации сортиментов по двум образующим 73
3.3. Выводы 80
Глава 4. Результаты исследований 82
4.1. Результаты экспериментальных исследований 82
4.1.1. Методика экспериментальных исследований 82
4.1.2. Результаты экспериментов 88
4.2. Рекомендации по корректировке выхода пиломатериалов в зависимости от отклонения объемом сортиментов вследствие погрешности их формы и измерения размеров 97
4.3. Выводы 101
Заключение . . 102
Список литературы
- Значения объема пиломатериалов, используемые в технологических расчетах
- Влияние изменения формы поперечного сечения сортимента на определение его объема
- Результаты сопоставительного анализа вариантов раскроя по выходу пиломатериалов при способе ориентации сортиментов по двум образующим
- Рекомендации по корректировке выхода пиломатериалов в зависимости от отклонения объемом сортиментов вследствие погрешности их формы и измерения размеров
Введение к работе
Актуальность темы. Размерно-качественные характеристики пиловочного сырья оказывают существенное влияние практически на все показатели использования древесины. При раскрое пиловочного сырья основными характеристиками являются: диаметр, длина и форма сортимента. При изменении любого из этих факторов происходит рассеивание размеров пиломатериалов и изменяется объемный и спецификационный выход пилопродукции.
При расчете поставов и составлении планов раскроя учету подлежат все характеристики пиловочных сортиментов. В производственных условиях лесопиления сортирование пиловочного сырья производится преимущественно по диаметрам, по длине производится в основном на две группы длин, а сбежистость не учитывается. Поэтому итоговые показатели раскроя пиловочного сырья отличаются от планируемых. Для повышения достоверности технологических расчетов, планирования раскроя пиловочного сырья и технико-экономических показателей необходимо внести корректировку при определении фактического объема пиловочного сырья с учетом реальных условий работы предприятия.
Техника измерений параметров круглых лесоматериалов характеризуется многообразием методов, способов и средств. Однако, какой бы способ обмера круглых лесоматериалов не использовался, фактический их объем будет иметь отклонения от номинального зафиксированного их объема. В зависимости от параметров сортиментов и их формы диапазон предельных значений объема круглых лесоматериалов будет изменяться от максимального до минимального значения.
Это не дает основания утверждать о точности оценок в распределении баланса сырья по его составляющим, поскольку применяется усредненный
подход к расчету возможных отклонений их объемов. В целом это не позволяет достоверно оценить направления дальнейшего совершенствования технологии и оборудования лесопиления.
Тенденции определения фактического объема поступившего пиловочного сырья обусловлены новыми направлениями учета формы и размеров круглых лесоматериалов применительно к условиям лесопильного производства с использованием существующих нормативных документов.
Это позволит более эффективно дать оценку комплексному использованию пиловочного сырья и улучшить технологический процесс на лесо-пильно-деревообрабатывающих предприятиях в целом. Поэтому новый подход к определению пределов отклонения фактического объема сырья от расчетного и их достоверность, а также нормы расхода древесины при производстве пиломатериалов является актуальными.
Цель работы — научное обоснование метода оценки и повышение достоверности рационального использования пиловочного сырья при продольном его раскрое на различную пилопродукцию.
Задачи исследований:
провести анализ отклонений объемов круглых лесоматериалов, пиломатериалов и всех составляющих баланса, используемых в практике технологических расчетов при планировании раскроя и нормировании расхода пиловочного сырья в производстве пилопродукции;
провести анализ основных технологических факторов, влияющих на использование древесины;
определить влияние сбежистости, формы поперечного сечения, точности определения размеров пиловочного сырья на объем сортимента
разработать технологические требования к составлению эффективных планов раскроя пиломатериалов при круговой схеме брусоворазвальным
7 способом раскроя круглых лесоматериалов, сориентированных по двум образующим;
обосновать критерии выхода пиломатериалов с учетом отклонений размеров и объема пиловочного сырья;
провести экспериментальную проверку предлагаемых теоретических подходов и оценить влияние формы круглых лесоматериалов на их объем и точности сортировки по диаметрам на выход пиломатериалов.
Методы исследований. При выполнении теоретических и экспериментальных исследований применялись методы математической статистики и теории вероятностей. Обработка результатов экспериментов проводилась с применением современных средств вычислительной техники и методов обработки информации: математической статистики, элементов математического моделирования и анализа, теории вероятностей, планирования эксперимента, а также пакетов прикладных программ.
Программа брусово-развального способа раскроя бревен по круговой схеме написана в среде Visual C++. Для обработки результатов исследований использовали программы Microsoft Excel, Mathcad, Statistica 6.0.
Научная новизна работы:
разработана методика определения объема круглых лесоматериалов с учетом изменения формы поперечного и продольного сечения, а также погрешностей размеров сортиментов, требований по точности сортирования, к формированию геометрических размеров согласно нормативным документам в зависимости от диаметров, длин и сбежистости древесины;
дано формализованное описание и определены диапазоны рассеивания объемов круглых лесоматериалов вследствие изменения их геометрических размеров, вызванных отклонением диаметров, длин, кривизны, сбежистости;
- уточнены показатели продольного раскроя круглых лесоматериалов,
сориентированных по двум образующим, брусоворазвальным способом по круговой схеме с учетом отклонений объемов круглых лесоматериалов от номинальных.
Практическая значимость работы. Определяется внедрением в практику технологических расчетов при нормировании расхода древесины и планировании раскроя пиловочного сырья научно обоснованной оценки значений факторов, влияющих на отклонение объемов круглых лесоматериалов, определения диапазонов их изменения, установления коэффициентов, учитывающих изменение фактически принятых объемов пиловочного сырья.
На защиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований по оценке влияния отклонений размеров круглых лесоматериалов на их объем и выход пиломатериалов при круговой брусоворазвальной схеме раскроя сортиментов, сориентированных по двум образующим;
научно обоснованные рекомендации по формированию поставов на распиловку круглых лесоматериалов с учетом точности их подборки по диаметрам, отклонений объема сортимента вследствие погрешностей формы и измерения размеров;
технологическое и информационное обеспечение метода определения показателей оценки объемов пиловочного сырья и пилопродукции.
Реализация результатов. Технологические рекомендации использованы в производственной деятельности при производстве пиломатериалов на однопильных ленточнопильных станках с подвижным пильным узлом (ООО «Леском», г. Архангельск). Внедрено программное обеспечение по планированию раскроя пиловочного сырья по круговой схеме (акт внедрения, ООО «Леском», г. Архангельск, 1999 г.). На основе результатов исследований раз-
9 работаны и изданы «Рекомендации по выбору рациональных поставов при
распиловке хвойного пиловочника на ленточнопильных станках малой мощности по круговой схеме брусово-развальным способом» (г. Северодвинск, 2002 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на: XI международной научно-технической конференции «Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании» (г. Пенза, ПТУ, 2003 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Молодые исследователи - региону» (г. Вологда, ВоГТУ, 2003 г.); Первой общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (г. Вологда, ВоГТУ, 2003 г.); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (г. Архангельск, 2000-2002 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть печатных работ, в том числе научно-производственные рекомендации.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 97 наименований, приложений. Основное содержание работы изложено на 185 страницах, включает 54 рисунка, 12 таблиц.
10 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Значения объема пиломатериалов, используемые в технологических расчетах
Выход пиломатериалов зависит от погрешностей объема круглых лесоматериалов и объема пилопродукции. Также следует различать номинальный расчетный объем пиломатериалов VH, рассчитанный по номинальным размерам, и действительный, фактический их объем Уд. Влияние различных факторов в процессе производства пиломатериалов вызывает отклонение действительного объема пиломатериалов от номинального, которое можно характеризовать погрешностью объема AV. Отличие значений действительного и номинального объемов пиломатериалов характеризуется погрешностями объема, вызванными: погрешностями размеров AVj, формы АУ2, расположения поверхностей AV3 и шероховатостью поверхностей AV4. Тогда - суммарная погрешность объема пиломатериалов определится ДV = АV, + AV2 + A V3 + AV4 , (1.30) - фактический объем пиломатериалов Vfl = VH + AV = VH + (AV, + AV2+AV3+AV4). (1.31)
В этих уравнениях сумма алгебраическая, т.е. погрешности объема суммируются с учетом их знака по отношению к номинальному объему. Из уравнения (1.31) следует, что ДУ = f (ДУі + ДУ2 + AV3 + AV4), т.е. погрешность объема есть функция погрешностей: объема из-за погрешностей размеров (AVi), формы (ДУг), расположения поверхности (AV3), погрешности объема из-за шероховатости поверхности пилопродукции (ДУД Отсюда вытекает, что погрешность объема пиломатериалов больше погрешности объема, вызванной погрешностями размеров. Поэтому сведение задачи определения точности объема пиломатериалов к определению точности размеров нельзя признать правильным. Допущение, заключающееся в том, что реальный объем пиломатериалов отклоняется от номинального, расчетного на величину, зависящую от точности размеров пиломатериалов, можно сделать только в том случае, если величины ДУг, ДУ3, ДУ4 по абсолютному значению близки к нулю.
Погрешности объема пиломатериалов при различных методах их изготовления обуславливаются множеством технологических факторов, в том числе и факторов случайного характера, т.е. таких, которые в рамках рассматриваемой задачи изменяются, причем определить заранее момент их появление и точное значение не представляется возможным.
Каждую из погрешностей объема следует рассматривать как сумму погрешностей систематического и случайного характера. Известно, что систематические погрешности складываются алгебраически; случайные погрешности, подчиняющиеся закону нормального распределения, складываются по правилу квадратного корня. Систематическая погрешность со случайной, отсчитываемой от среднего объема, складывается арифметически. Поэтому суммарная погрешность объема может быть выражена равнением
В уравнении (1.33) коэффициенты к зависят от вида кривых распределения составляющих погрешностей. Если каждая из составляющих погрешностей подчиняется закону нормального распределения, k = 1. При нормальном распределении, графически изображаемом кривой Гаусса, систематические погрешности смещают среднеарифметический объем (ось симметрии кривой Гаусса) по отношению к номинальному. Величина систематической погрешности может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Нарис. 1.1, 1.2 приведены примеры распределения систематической постоянной погрешности ДУСИСТ= А, причем А в различных случаях имеет разные знаки.
Погрешности случайного характера, а также погрешности систематические, переменные, вызывают рассеяние объема. Применительно к выходу пилопродукции - это его изменение при одинаковых исходных номинальных параметрах сортиментов и стандартных расчетных размеров вырабатываемых пиломатериалов. Знак AV зависит от соотношения величин случайных и систематических погрешностей объемов.
Согласно теории вероятности при большом числе составляющих погрешностей, из которых ни одна не является доминирующей, результирующая погрешность следует закону нормального распределения независимо от того, каким законам подчиняются составляющие погрешности. Имеется большое количество данных, показывающих, что распределение объемов (погрешностей объемов) пиломатериалов, вырабатываемых различными методами при нормальном течении технологических процессов близко к нормальному. Поэтому при определении возможного рассеяния выхода пиломатериалов, как и их объема, характеризующихся среднеквадратичным отклонением, значения отклонений можно найти следующим образом.
Влияние изменения формы поперечного сечения сортимента на определение его объема
Погрешность формы поперечного сечения сортиментов влияет на погрешности объема и вызывает отклонения размеров пиломатериалов от номинальных при расчете. Частным случаем является кривизна. Ее наличие в круглых лесоматериалах не вызывает изменения их объема, но значительно снижает выход пиломатериалов при распиловке таких сортиментов.
По данным [1] формы поперечного сечения стволов близки к формам круга и эллипса. У пиловочника хвойных пород, полученного из нижней и серединной частей ствола, взаимно перпендикулярные диаметры различаются в среднем на 3,7% и 3,1%.
Погрешности формы могут быть выражены через погрешности размеров. Геометрическая форма круглых лесоматериалов, очерченная в двух сечениях кривыми, не выходящими за поле допуска 5/2 имеет бесконечное множество размеров d, т.к. через каждую точку на оси, отстоящей от базового сечения на расстояние а или Ь, можно провести, изменяя угол ср, сколько угодно линий и получить при этом различные значения диаметра d, dA, йв и т.д. Расчетная схема приведена на рис. 2.2.
Обычно условно принимают среди бесконечно большого множества несколько размеров, которых достаточно для характеристики диаметра поперечного сечения сортимента, его формы. Известно, что для тела вращения, при его проверке достаточно выявить шесть размеров - по два взаимно перпендикулярных диаметра в обоих концах и посередине. Погрешность размера d в этом случае равна нулю или близка к нулю и, следовательно, AVi = 0.
При этих условиях следует различать погрешность формы двух видов: погрешность формы, не выходящую за пределы поля рассеяния; погрешность формы, выходящую за пределы поля рассеяния, например погрешность, обусловленную местными увеличениями или локальными уменьшениями диаметра поперечного сечения сортимента.
Определение погрешности AV2 может быть весьма сложным. При этом необходима характеристика макрогеометрии сортимента. Применительно к наиболее часто встречающимся погрешностям - овальности (эллиптичности), конусности, определение погрешности объема вследствие их наличия будет иметь следующий вид.
При наличии эллиптичности вала наибольший диаметр примем равным d, наименьший будет (d - Ad). Полуоси эллипса для этих условий: большая -d/2, малая - (d-Ad )/2. При длине сортимента L
Формула для определения X в процентах от V„, характеризующая погрешность объема из-за погрешности размеров вследствие эллиптичности в плоскости поперечного сечения участка образующей сортимента цилиндрической формы (вписанный эллипсоид) при 5Д и = Ad/ Знак минус показывает, что эллиптичность поперечного сечения сортимента вызывает отрицательную погрешность объема, т.е., что действительный объем меньше расчетного, соответствующего диаметру d.
При наличии конусности в пределах поля рассеяния значений диаметра 5 = Ad большой диаметр будет равен d, малый - (d - Ad). Тогда при конусности, когда форма сортимента на отдельных участках аппроксимируется усеченным конусом, относительно объема цилиндра справедливо
ДУф - погрешность определения объема бревна вследствие отклонения его формы от теоретической.
Для определения относительной погрешности отклонения объема бревна, вызванной погрешностью формы вследствие эллиптичности поперечного сечения Аф, отклонения размера диаметра от номинального &\, кривизны и длины бревна Дф получены формулы
При диаметра бревна d=14...40 см, длине L=4...6 м, сбеге с=0,8...1,3 см/м, погрешности измерения диаметра Ad=0...±2 см и длины ДЬ=0...±0,3 м бревна, фактический объем бревна составляет: при эллиптичности поперечного сечения - (0,74... 1,17)V„, при отклонении размера диаметра от номинального - (0,44....1,05) VH, при наличии погрешности в определении длины-(0,8....1,2) VH.
Изменение величины относительной погрешности, вызванной погрешностью формы вследствие эллиптичности поперечного сечения, приведено на рис. 2.3-2.10. Расчетные значения погрешностей приведены в Приложении А.
Результаты сопоставительного анализа вариантов раскроя по выходу пиломатериалов при способе ориентации сортиментов по двум образующим
Изменение выхода пиломатериалов при варьировании приведенных факторов приведено на рисунках 3.4-3.12.
Расчетные значения выхода пиломатериалов приведены в табл. 2 Приложения В.
Изменение выхода пиломатериала с увеличением толщины тонких досок при неизменной толщине толстых досок при анализе групп толщин сводится к следующему.
При постоянной толщине толстых досок 44 мм поле рассеивания выходов характеризуется средним уменьшением выхода на 0,71%, 0,53%», 0,58%. При постоянной толщине толстых досок 50 мм: 0,64%, 1,13%, 0,75%. При постоянной толщине толстых досок 75 мм: 0,66%, 0,98%, 0,62%.
С увеличением толщины толстых досок при неизменной толщине тонких досок результаты анализа имеют вид.
При постоянной толщине тонких досок 19 мм выхода по верхнему полю, нижнему и средний увеличиваются в среднем на: 0,40%, 0,29%», 0,46%. При постоянной толщине тонких досок в поставе 22 мм: на 0,51%. При постоянной толщине тонких досок 25 мм: 0,45%, 0,16%, 0, 41%.
При наборе вариантов толщин досок в постав получены следующие результаты.
Толщина тонкой доски 19 мм, толщина толстой доски 44 мм. С увеличением диаметра верхнее значение поля рассеивания выхода увеличивается от 44,03% до 66,17%, перепад 22,14%. Нижнее значение выхода увеличивается от 32,62% до 63,92%, перепад 31,30%. Среднее значение выхода возрастает с 38,51% до 64,92%, перепад 26,41%.
Толщина тонкой доски 19 мм, толщина толстой доски 50 мм. С увеличением диаметра верхняя граница выхода изменяет значение с 43,72% до 66,51%, перепад 22,79%. Нижнее - от 35,26% до 64,01%, перепад 28,75%. Среднее значение выхода увеличивается от 40,31% до 65,35%, перепад 25,04%.
Толщина тонкой доски 19 мм, толщина толстой доски 75 мм. С увеличением диаметра максимальное значение выхода увеличивается от 46,04% до 67,36%, перепад 21,32%. Минимальное возможное значение выхода увеличивается от 31,24% до 64,63%, перепад 33,39%. Среднее значение выхода увеличивается от 41,71% до 65,98%, перепад 24,27%.
Толщина тонкой доски 22 мм, толщина толстой доски 44 мм. С увеличением диаметра максимальное значение выхода увеличивается от 43,30% до 65,41%, перепад 23,11%. Минимальное возможное значение выхода увеличивается от 34,28% до 64,07%, перепад 29,79%. Среднее значение выхода увеличивается от 38,91% до 64,57%, перепад 25,66%.
Толщина тонкой доски 22 мм, толщина толстой доски 50 мм. С увеличением диаметра максимальное значение выхода увеличивается от 43,96% до 66,29%, перепад. 22,33%. Минимальное возможное значение выхода увеличивается от 37,22% до 64,47%, перепад 20,89%. Среднее значение выхода увеличивается от 39,31% до 65,27% (25,96%).
Толщина тонкой доски 22 мм, толщина толстой доски 75 мм. С увеличением диаметра максимальное значение выхода увеличивается от 45,46% до 66,77% (21,31%). Минимальное значение выхода увеличивается от 35,06% до 64,59% (29,53%). Среднее значение выхода увеличивается от 41,46% до 65,84% (24,38%).
Толщина тонкой доски 25 мм, толщина толстой доски 44 мм. С увеличением диаметра максимальное значение выхода увеличивается от 42,67% до 65,57% (22,90%). Минимальное значение выхода увеличивается от 33,28% до 63,96% (30,68%). Среднее значение выхода увеличивается от 39,54% до 64,81% (25,27%).
Толщина тонкой доски 25 мм, толщина толстой доски 50 мм. С увеличением диаметра максимальное значение выхода увеличивается от 44,17% до 66,18% (21,98%). Минимальное значение выхода увеличивается от 26,84% до 64,47% (37,63%). Среднее значение выхода увеличивается от 37,22% до 65,36% (28,14%).
Рекомендации по корректировке выхода пиломатериалов в зависимости от отклонения объемом сортиментов вследствие погрешности их формы и измерения размеров
В результате экспериментальных исследований решены задачи по уточнению влияния неточности определения и отклонений диаметров сортиментов и отнесения их к соответствующим размерным группам.
Установлено влияние точности сортирования и числа измеряемых значений размеров сечения при определении среднего диаметра на выход пиломатериалов.
Уточнены отклонения объемом сортиментов вследствие погрешности их формы и измерения размеров.
На основании результатов экспериментальных исследований определены объемы сортиментов с учетом отклонения их размеров (диаметров и длин) вследствие погрешности формы.
С учетом данных корректировки объема сортиментов вследствие влияния отклонений диаметров и длин для различных значений факторов, относящихся к геометрическим параметрам сортиментов, определены значения выхода пиломатериалов при условном раскрое круглых лесоматериалов для выбранной схемы раскроя.
В результате проведенных исследований дано аналитическое ранжирование объемов круглых лесоматериалов, выхода пиломатериалов, отходов производства с учетом отклонений размеров и объема круглых лесоматериалов.
1. Получено формализованное описание возможных отклонений объема круглых лесоматериалов, выраженное полем рассеивания. Полученные зависимости могут быть применены как при анализе отклонений объемов штучных сортиментов, так и партий круглых лесоматериалов. С учетом распределений геометрических параметров сортиментов с достаточной точностью могут быть определены отклонения объемов.
2. Изменение выхода пиломатериалов с учетом относительной погрешности отклонения объема бревна, вызванной погрешностью отклонения диаметра от номинального характеризуется завышением значений относительно расчетных при точности распределения сортиментов по диаметрам на размерные группы ±1 см по всему диапазону изменения диаметров и удвоением систематической погрешности (порядка 12%).
3. Изменение выхода пиломатериалов с учетом относительной погрешности отклонения объема бревна, вызванной погрешностью кривизны (длины) бревна, носит нормальный характер с равно распределенной относительно расчетного погрешностью порядка 3% по всему диапазону изменения диаметров.
4. При составлении поставов необходимо учитывать разницу в использовании линейного размера вершинного торца сортимента, зависящую от принятой в производстве точности сортирования сырья по диаметрам. В противном случае любой, так называемый, рациональный постав не дает максимального результата.
5. Рекомендации по составлению поставов согласовываются с требованиями сортирования сортиментов по диаметрам, что обеспечивает в производственных условиях получение сопоставимых расчетным выходов по спецификационным и количественным показателям. Следует определять средний диаметр сортимента по результатам четырех измерений диаметра при угле поворота 45. При точности ±0,5 и ±1 см это способствует сужению поля рассеивания возможных отклонений диаметров сортиментов и снижает переходность диаметров в смежные размерные группы.
6. Построены уравнения связи номинального, наибольшего и наименьшего объема отходов, формирующихся при продольном раскрое пиловочного сырья на пиломатериалы стандартных размеров, под действием факторов, обуславливающих отклонения объемов круглых лесоматериалов и выход пилопродукции.
Предложенный подход позволяет корректировать нормы расхода древесины при производстве пиломатериалов и устанавливать пределы их достоверности.
