Введение к работе
Актуальность проблемы. Лесозаготовки в нашей стране выполняются в различных природно-производственных условиях предприятиями с разной формой собственности. В зависимости от производственных условий и применяемого оборудования технологический процесс может выполняться с заготовкой и вывозкой хлыстов, сортиментов, пиломатериалов и щепы, а на территориях лесосек с радиоактивным загрязнением – окоренных сортиментов или пиломатериалов. Для осуществления перечисленных технологических процессов разрабатываются и выпускаются различные машины и оборудование, имеющие одно - и многофункциональное назначение.
Полное использование производственных возможностей машин в значительной степени обуславливается соответствием их конструктивных особенностей и параметров организации работы, конкретными производственными условиями. Это соответствие может быть достигнуто в результате выполненных технологических расчетов при конкретном учете имеющегося парка и численности лесосечных машин, объемов межоперационных запасов древесины, режимов их создания, пополнения, потребления и выработки, обеспечивающих интенсификацию лесосечных работ и снижение отрицательного воздействия машин на лесные экосистемы, а также технико-экономических показателей комплектов машин.
Комплект лесосечных машин представляет собой технологическую систему, находящуюся под воздействием окружающей среды и под действием соответствующих нормативным условиям рабочих процессов, протекающих в оборудовании. В процессе эксплуатации такая система неизбежно теряет свое начальное качество, переходя в неработоспособное состояние, при котором значение хотя бы одного параметра качества изготавливаемой продукции, производительности, стоимости затрат не соответствует требованиям, установленным в нормативно-технологической документации. Восстановить исходное состояние возможно с помощью различных управляемых воздействий. Повысить надежность работы технологической системы лесосечных работ можно путем рациональной периодичности и объема технического обслуживания и ремонта машин и оборудования, а также назначения обоснованных режимов функционирования машин (обоснованных объемов запасов и режимов их создания, пополнения, потребления и выработки). Режимы функционирования машин должны обеспечивать требуемые сроки, качество и объемы выполняемых работ. При этом производительность комплекта машин и оборудования, их численность должны устанавливаться (подбираться) по максимальной выработке ведущей машины при минимальных удельных затратах, снижении продолжительности разработки лесосеки и техногенного воздействия машин на лесные экосистемы, а при работе в районах с радиоактивным загрязнением с учетом исключения возможности облучения рабочих. Необходимость сочетания отмеченных способов повышения надежности комплектов машин вызвана тем, что при любых, в том числе и обоснованных режимах, сроки и качество работ меняются в зависимости от изменения технического состояния машин.
Отсутствие до настоящего времени надежной методики расчета режимов работы лесосечных машин, отвечающей этим требованиям, обуславливает актуальность исследований в этом направлении. Решение данной проблемы позволяет получить систему показателей для выбора обоснованных проектных решений по оперативному планированию и управлению режимами работы лесосечных машин адекватных реальным условиям эксплуатации. Наличие обоснованных режимов работы машин для конкретных природно-производственных условий позволяет организовать эффективную работу комплектов машин. Такая организация работ дает возможность обеспечить максимальный объем выработки комплекта машин, снизить сроки разработки лесосек и техногенное воздействие машин на лесные экосистемы (ЛЭС), а также себестоимость, металлоемкость, энергоемкость, а при разработке лесосек на территориях с радиоактивным загрязнением позволяет исключить возможность облучения рабочих.
Диссертационная работа выполнена в рамках научно-технической проблемы «Разработка и внедрение автоматизированных систем оперативного планирования и управления лесозаготовительными предприятиями» по темам: «Разработка и внедрение комплекса расчетно-оптимизационных задач оперативного управления лесосечными работами»; «Оптимальное управление лесозаготовительным процессом», регистрационный номер 01830075400; «Разработка автоматизированной системы оперативного планирования лесосечных работ», регистрационный номер 01860011632; «Разработка теоретических основ технолого-экологической оценки лесных машин», регистрационный номер 01.2.00703909.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключается в обеспечении повышения эффективности (технологической, технической, экономической, экологической и социальной) функционирования комплектов лесосечных машин в изменяющихся природно-производственных условиях, на основе совершенствования теории и практики выполнения лесосечных работ, разработки методического сопровождения использования выработанных рекомендаций.
Для достижения поставленной цели осуществлялось решение следующих задач:
- уточнение основных свойств и характерных особенностей осуществления лесозаготовительного производства в современных условиях;
- проведение анализа и разработка технологии и организации верхних складов, обеспечивающих получение на лесосеке древесины в виде окоренных сортиментов или пиломатериалов при освоении лесосек с различным уровнем радиоактивного загрязнения;
- изучение транспортно-технологического процесса лесосечных работ и уточнение основных технологических схем компоновки лесосечных машин, характера их взаимодействия на смежных операциях, назначения, расположения, особенностей создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных запасов;
- совершенствование математических моделей, с целью определения не только гарантийных объемов запасов, но и режимов их создания, пополнения, потребления и выработки с учетом максимальной выработки комплекта машин при минимума денежных затрат;
- определение влияния запасов на работоспособность технологических систем лесосечных работ;
- разработки математических моделей для определения объемов снижения техногенного воздействия лесосечных машин на ЛЭС;
- совершенствование и внедрение имитационных моделей для определения обоснованного состава, режимов работы, организации и управления комплектом машин в конкретных природно-производственных условиях, как с учетом, так и без учета техногенного воздействия машин на ЛЭС, обеспечивающих повышение эффективности, отличающихся тем, что позволяют рассчитать объемы запасов и режимы их создания, пополнения, потребления и выработки для различных комплектов машин на весь период разработки лесосеки при заданных объемах работ; рекомендаций и методического сопровождения по их использованию на производстве и в учебном процессе;
- разработки имитационных моделей перераспределения дополнительных машин с лесосеки на лесосеку, отличающиеся тем, что дают возможность определить обоснованные режимы, обеспечивающие повышение эффективности использования этих машин;
- выполнение экспериментальных исследований процессов пополнения и потребления запасов деревьев (хлыстов, сортиментов), анализа статистических данных о работе машин для уточнения достоверных исходных данных, обеспечивающих получение реальных результатов моделирования, позволяющих с достаточной степенью точности прогнозировать режимы работы машин для планируемых в рубку лесосек.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования выбран технологический процесс лесосечных работ в изменяющихся природно-производственных условиях. Предметом исследования являются теория, методы и модели интенсификации работы лесосечных машин.
Методология выполнения работы основывается на использовании статистического анализа, методов исследования операций, аналитических методов и имитационного моделирования. Они основаны на результатах исследований лесозаготовительного производства и особенностей его осуществления в различных природно-производственных условиях.
Научная новизна. Научной новизной обладают:
- технологические решения интенсификации лесосечных работ, отличающиеся учетом технологических, технических, экономических, экологических и социальных факторов;
- технология и организация работы верхних складов, отличающиеся учетом уровня радиоактивного загрязнения лесосек;
- технологические режимы создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов, отличающиеся учетом резервирования машинного парка;
- математические модели процессов лесосечных работ, отличающиеся учетом изменяющихся природно-производственных условий, максимальной выработки ведущей машины и изменением численности и сменности работы машин на отстающих операциях;
- аналитические зависимости количественной оценки работоспособности технологического процесса лесосечных работ, отличающиеся их описанием как резервируемой системы;
- аналитические зависимости расчета режимов работы лесосечных машин, отличающиеся учетом техногенного воздействия машин на лесные экосистемы;
- имитационные модели перераспределения дополнительных машин с лесосеки на лесосеку, отличающиеся обоснованием режимов работы этих машин для конкретной лесосеки;
- имитационные модели обоснования состава и режимов работы комплектов лесосечных машин в конкретных природно-производственных условиях, отличающиеся учетом максимальной выработки ведущей машины и перспективного объема производства на годовой расчетной лесосеке;
- методика определения исходных данных для моделирования процессов лесосечных работ, отличающаяся прогнозированием режимов работы лесосечных машин для планируемых в рубку лесосек.
Значимость для теории заключается в технологических решениях интенсификации лесосечных работ, отличающиеся учетом технологических, технических, экономических, экологических и социальных факторов; технологии и организации работы верхних складов, отличающихся учетом уровня радиоактивного загрязнения лесосек; технологических режимах создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных, (многоуровневых перемещаемых) запасов, отличающиеся учетом резервирования машинного парка; математических моделях процессов лесосечных работ, отличающихся учетом изменяющихся природно-производственных условий, максимальной выработки ведущей машины и изменением численности и сменности работы машин на отстающих операциях; аналитических зависимостях количественной оценки работоспособности технологического процесса лесосечных работ, отличающихся их описанием как резервируемой системы; аналитических зависимостях расчета режимов работы лесосечных машин, отличающихся учетом техногенного воздействия машин на лесные экосистемы; имитационных моделях обоснования состава и режимов работы комплектов лесосечных машин в конкретных природно-производственных условиях, отличающихся учетом максимальной выработки ведущей машины и перспективного объема производства на годовой расчетной лесосеке; имитационных моделях перераспределения дополнительных машин с лесосеки на лесосеку, отличающихся тем, что дают возможность определить обоснованные режимы, обеспечивающие повышение эффективности использования этих машин; методике определения исходных данных для моделирования процессов лесосечных работ, отличающийся прогнозированием режимов работы лесосечных машин для планируемых в рубку лесосек.
Значимость для практики состоит в улучшении организации работы лесосечных машин, обеспечивающей повышение эффективности (экономической, технологической, технической, экологической, социальной); в обосновании технологических схем верхних складов, обеспечивающих получение на лесосеках окоренных сортиментов и пиломатериалов с минимизацией радиационного воздействия на работников в условиях радиоактивного загрязнения лесосек; в обосновании метода и подтверждении необходимости создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов лесоматериалов в технологических процессах лесосечных работ, гарантирующих бесперебойную работу машин на смежных операциях; в методике планирования и управления режимами создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов лесоматериалов в технологических процессах лесосечных работ, обеспечивающей увеличение объема выработки машин на смежных операциях за счет увеличения численности и сменности работы машин на отстающей операции; в методике количественной оценки работоспособности технологической системы, позволяющей получить обоснованные параметры её функционирования; в установленных режимах взаимодействия лесосечных машин комплекта между собой с возможностью перераспределения дополнительных машин по лесосекам, позволяющих увеличить объемы выработки комплекта лесосечных машин до выработки ведущей машины комплекта и повысить эффективность использования дополнительных машин; в обоснованных режимах работы комплектов лесосечных машин в заданных природно-производственных условиях на основе среднестатистических данных, позволяющих сократить продолжительность разработки лесосек и снизить негативное воздействие маши на лесные экосистемы; в разработанных ЭВМ программах, реализующих модели обоснования состава и режимов работы комплектов лесосечных машин в конкретных природно-производственных условиях, перераспределения дополнительных машин с лесосеки на лесосеку, которые позволяют рассчитать объемы и режимы создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов; обоснованную численность и сменность работы лесосечных машин на отстающих операциях в автоматизированной системе технологической подготовки производства лесозаготовок как с учетом, так и без учета техногенного воздействия лесосечных машин на лесные экосистемы; в предложенной методике определения достоверных данных по процессам лесосечных работ, позволяющей с высокой точностью прогнозировать режимы работы лесосечных машин для планируемых в рубку лесосек.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования транспортно-технологических процессов выполнения лесосечных работ.
2. Технология и организация верхних складов, обеспечивающие получение на лесосеке древесины в виде окоренных сортиментов или пиломатериалов при освоении лесосек с различным уровнем радиоактивного загрязнения.
3. Уточненная классификация, назначение, расположение, особенности создания, пополнения, потребления и выработки межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов.
4. Усовершенствованные математические модели, отличающиеся тем, что позволяют рассчитать не только объемы межоперационных (многоуровневых перемещаемых) запасов, но и режимы их создания, пополнения, потребления и выработки в изменяющихся природно-производственных условиях и обеспечивающие объем выработки комплекта машин равный объему выработки ведущей машины комплекта за счет увеличения численности и (или) сменности работы машин на отстающих операциях.
5. Математические модели количественной оценки работоспособности технологической системы, отличающиеся возможностью рассмотрения технологического процесса лесосечных работ как резервируемой системы.
6. Математические модели расчета режимов работы лесосечных машин, отличающиеся возможностью количественной оценки техногенного воздействия машин на ЛЭС.
7. Усовершенствованные имитационные модели для определения обоснованного состава, режимов работы, организации и управления комплектом машин в конкретных природно-производственных условиях как с учетом, так и без учета техногенного воздействия машин на ЛЭС, обеспечивающие повышение эффективности (экономической, технологической, технической, экологической, социальной), отличающиеся тем, что позволяют рассчитать объемы (многоуровневых перемещаемых) запасов и режимы их создания, пополнения, потребления и выработки для различных комплектов машин на весь период разработки лесосеки при заданных объемах работ; рекомендации и методическое сопровождение по их использованию на производстве и в учебном процессе.
8. Имитационные модели перераспределения дополнительных машин с лесосеки на лесосеку, отличающиеся тем, что дают возможность определить обоснованные режимы, обеспечивающие повышение эффективности использования этих машин.
9. Методика определения достоверных исходных данных, обеспечивающих получение реальных результатов моделирования, позволяющих с достаточной степенью точности прогнозировать режимы работы машин для планируемых в рубку лесосек.
Достоверность полученных результатов обеспечена проведением системного анализа обширного материала, собранного в течение 30 лет с использованием научно-обоснованных методов; математического, имитационного моделирования и современных математических методов обработки экспериментального материала; адекватной оценкой опытно-производственной проверки разработанного теоретического, программного обеспечения и методического сопровождения, а также продолжительным применением в лесозаготовительных предприятиях и учебном процессе. Отклонение результатов моделирования на опытных данных не превышает 10%.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях Московского государственного университета леса в 1984, 1985 годах; координационном совещании по теме «Разработать и внедрить автоматизированную систему оперативного планирования и управления лесозаготовительными предприятиями» в Центральном научно-исследователь-ском институте механизации и энергетики лесной промышленности (г. Химки Московской области, 1983 г.); всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы разработки и внедрения автоматизированных систем управления в лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности» (г. Москва, ВДНХ СССР, 1984 г.); ежегодных научно-технических конференциях в Брянском технологическом институте в 1984–1995 годах и в Брянской государственной инженерно-технологической академии в 1996–2010 годах; техническом совещании во всесоюзном лесопромышленном объединени «Кировлеспром» (г. Киров, 1987 г.); координационном совещании и международной научно-технической конференции по современным проблемам древесиноведения (г. Брянск, 1995 г.); всероссийской научно-практической конференции «Чернобыль: 10 лет спустя. Итоги и перспективы» (г. Брянск, 1996 г.); международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» в Брянской государственной инженерно-технологической академии в 2000–2009 годах; международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» в Вологодском государственном университете в 2007 г.; ХХI-й межвузовской научно-технической конференции «Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения» в Брянской государственной сельскохозяйственной академии в 2008 году; на конкурсе на лучшую работу ученых Брянской области по естественным, техническим и гуманитарным наукам «Наука области – Брянщине» (г. Брянск, 2008 г.); первом Славянском международном экономическом форуме (г. Брянск, 2009 г.); II-й Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века» (г. Красноярск, 2010 г.); III-й международной научно-практической интернет-конференции «Леса России в ХХI веке» (г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия, 2010 год); и ХХХ-й Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 65-летию Победы (г. Миасс Челябинской области, 2010 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 68 печатных работах, в том числе 12 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, 11 в материалах научных конференций, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук, а также в 2 монографиях, 5 учебных пособиях, 1 тексте лекций и в сети Интернет ( и allchemobyl.net/nfilts/b).
Реализация работы. Полученные результаты и разработанные рекомендации нашли применение в организации производственного процесса ряда лесозаготовительных предприятий Кировской и Свердловской областей, Усть-Илимского ЛПК; на лесозаготовках ГУП «Дятьковский лесхоз», ООО ЛПК «Навля» и ООО «Клетнянский лес» Брянской обл., научно-исследовательской работе и в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам: «Моделирование и организация производственных процессов в лесном комплексе», «Технология лесозаготовок», «Технология и оборудование лесозаготовок»; выполнении практических, курсовых, расчетно-графических работ и в дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальностям 150400 «Машины и оборудование лесного комплекса», 080502 «Экономика и управление на предприятиях», 250201 «Лесное хозяйство», магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» в виде учебных пособий, методических разработок и ЭВМ программ в Брянской государственной инженерно-технологической академии.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 220 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 284 страницах машинописного текста, иллюстрировано 92 рисунками и 19 таблицами.
