Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, задачи исследования 14
1.1. Характеристика лесообрабатывающего производства лесозаготовительных предприятий 14
1.2. Структура современного лесообрабатывающего производства лесозаготовительных предприятий 31
1.3. Особенности организации лесообрабатывающего производства на нижних лесопромышленных складах 36
1.4. Краткий анализ исследований гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий 39
1.5. Выводы. Цели и задачи исследования 46
Глава 2. Математическое моделирование гибких лесообрабатывющих процессов в цехах лесозаготовительных предприятий 50
2.1. Общие положения 50
2.2. Особенности гибких лесообрабатывающих процессов в цехах лесозаготовительных предприятий 56
2.2.1, Многовариантные гибкие лесообрабатывающие процессы. Выбор маршрута обработки древесного сырья 59
2.2.2. Особенности функционирования гибких лесообрабаты вающих процессов комбинированных цехов 65
2.3. Классификация гибких лесообрабатывающих процессов лесозаготовительных предприятий 70
2.4. Системный подход при исследовании лесообрабатывающих процессов 77
2.5. Гибкий лесообрабатывающий процесс цеха как объект моделирования. Структура гибкого лесообрабатывающего процесса 78
2.6. Разработка математической модели гибкого лесообрабатывающего процесса 84
2.7. Математические модели массового обслуживания 85
2.7.1. Гибкий лесообрабатывающий процесс как система массового обслуживания 90
2.7.2. Модель потока заявок на транспортную систему 95
2.7.3. Анализ ГЛП при гибкой компоновке станков 97
2.8. Имитация гибкого лесообрабатывающего процесса 99
2.8.1. Общие положения 99
2.8.2. Определение количества реализации для имитационной модели 100
2.8.3. Имитационная модель гибкого лесообрабатывающего процесса 103
2.8.4. Алгоритм решения имитационной модели гибкого лесообрабатывающего процесса комбинированного цеха 108
2.9. Математическая модель гибкого лесообрабатывающего процесса совместной обработки сырья от рубок главного и промежуточного пользования 113
2.10. Исследование загрузки и производительности технологических линий цехов с гибкими лесообрабатывающими процессами 117
2.10.1. Совершенствование лесообрабатывающего производства на основе метода нейрокомпъютерного прогнозирования 123
2.10.2. Вместимость складов сырья и продукции лесообрабатывающих цехов 130
2.11.Технико-экономические оценки параметров функционирования гибких лесообрабатывающих процессов 132
2.11.1. Эффективность лизинга оборудования лесообрабатывающего цеха 134
2.12. Выводы 137
Глава 3. Экспериментальные исследования размерно-качественных характеристик и параметров потоков древесного сырья гибких лесообрабатывающих процессов 139
3.1. Цель и объекты экспериментального исследования. 139
3.2. Методика исследования размерно-качественных характеристик сырья 140
3.3. Методика математической обработки экспериментальных данных 142
3.4. Исследование и установление законов распределения сырья по диаметрам 146
3.4.1. Анализ исследований размерных параметров пиловочных брёвен от рубок ухода за лесом 154
3.4.2. Анализ исследований размерных параметров пиловочных брёвен, заготовленных нарубках главного пользования 155
3.5. Потоки лесоматериалов на складах сырья и готовой продукции лесообрабатывающих цехов 157
3.6. Исследование параметров потоков древесного сырья в лесообрабатывающих цехах 158
3.6.1. Параметры входящих потоков 159
3.6.2. Распределение времени обработки заготовок 163
3.6.3. Значения основных показателей надёжности станков 165
3.7. Выводы 166
Глава 4. Анализ результатов экспериментов с имитационной моделью гибкого лесообрабатывающего процесса 168
4.1. Определение вместимости склада древесного сырья лесообрабатывающего цеха 168
4.2. Анализ загрузки технологической линии комбинированного цеха с гибким лесообрабатывающим процессом 172
4.2.1. Влияние вместимостей буферных устройств 172
4.2.2. Влияние состава обрабатываемого сырья 174
4.2.3. Оценка влияния продолжительности интервалов ере-мени поступления заготовок, к лесообрабатывающим станкам 181
4.2.4. Оценки влияния размерных параметров древесного сырья.- 182
4.2.5. Влияние параметров надёжности лесообрабатывающих станков на загрузку технологической линии 185
4.2.6. Зависимость загрузки технологических линий от их количества в лесообрабатывающем цехе 187
4.2.7. Управление потоками лесоматериалов в цехе с гибким лесообрабатывающим процессом 188
4.3. Влияние дозагрузки оборудования лесообрабатывающего цеха древесным сырьём от рубок ухода за лесом 192
4.4. Транспортное обслуживание станков при их гибкой компоновке в технологическом потоке лесообрабатывающего цеха 194
4.5. Применение метода нейрокомпьютерного прогнозирования для повышения загрузки применяемого оборудования и определения вместимости склада готовой продукции лесообрабатывающего цеха 196
4.6. Выводы 199
Глава 5. Экономическая оценка эффективности создания цехов с гибким лесообрабатывающим процессом 201
5.1. Экономическая оценка параметров функционирования гибких лесообрабатывающих процессов в цехах лесозаготовительных предприятий 201
5.2. Выводы 210
Глава 6. Технологические процессы и проектирование гибких лесообрабатывающих производств 212
6.1. Проектирование гибких лесообрабатывающих процессов 212
6.2. Гибкие лесообрабатывающие процессы 217
6.3. Выводы 245
Глава 7. Общие выводы и рекомендации 246
Список использованной литературы 252
Приложения 272
- Особенности организации лесообрабатывающего производства на нижних лесопромышленных складах
- Особенности функционирования гибких лесообрабаты вающих процессов комбинированных цехов
- Исследование и установление законов распределения сырья по диаметрам
- Управление потоками лесоматериалов в цехе с гибким лесообрабатывающим процессом
Введение к работе
Лесная промышленность Российской Федерации — это сложный многоотраслевой комплекс, включающий в себя лесозаготовительную, деревообрабатывающую, целлюлозно-бумажную, лесохимическую, плитную, фанерную и мебельную подотрасли. В экономике России на долю лесного сектора экономики приходится 4,5 % промышленного производства; 8 % численности промышленно-производственного персонала; 3,7 % стоимости основных фондов; 4,1 % экспортной валютной выручки [93]. Широкое использование древесины обосновано наличием в ней ценных свойств и особенностей. Древесину легко обрабатывать и склеивать, она обладает высокой прочностью, хорошими теплоизоляционными свойствами, способностью поглощать ударные нагрузки и вибрации и т.п. Источником ценного древесного сырья является лес, который формирует благоприятную среду проживания человека, регулирует водный баланс земли, очищает атмосферу и является поставщиком кислорода, оказывает существенное влияние на формирование климата на планете. Это требует бережного отношения к лесным ресурсам страны и наиболее полного, рационального использования всей заготовленной древесины[94].
В настоящее время в России наметилась устойчивая тенденция роста объёмов лесозаготовок. По данным НИПИЭИлеспром объемы вывозки древесины увеличились с 78 млн. м3в 1998г. до 105,0 млн. м3 в 2008г. По прогнозам, суммарные объемы лесозаготовок в ближайшие 5—7 лет должны возрасти до 190-200 млн. м3 в год [95].
Одновременно с увеличением объёмов лесозаготовок возрастает и доля обработки древесного сырья в цехах лесозаготовительных предпри-
ятий. Однако загрузка имеющихся и вновь создаваемых мощностей по обработке лесоматериалов в условиях лесозаготовительных предприятий находится на сравнительно низком уровне. Исследованиями установлено, что по ряду производств уровень загрузки станков в лесообрабатывающих цехах может снижаться до 30 % [56,66].
Низкая загрузка станков и оборудования цехов по обработке древесины в леспромхозах обуславливается главным образом тем, что технологические процессы цехов построены без учета особенностей их функционирования. К таким особенностям, прежде всего, относятся постоянное изменение таксационных характеристик разрабатываемых лесосек, что приводит к неравномерности объёмного выхода определенных видов сортиментов, изменчивость параметров круглых лесоматериалов, поступающих в цехи на обработку, колебание объёмов лесозаготовок в течение года и ряд других факторов. Проведёнными в настоящей работе исследованиями установлено, что повысить загрузку оборудования лесообрабатывающих цехов лесозаготовительных предприятий возможно путем создания цехов с гибкими лесообрабатывающими процессами, отличительной особенностью которых является возможность переработки круглых лесоматериалов различного назначения на различную лесопродукцию в общих технологических потоках. Определенный опыт создания цехов с гибкими производственными процессами на нижних лесопромышленных складах накоплен на предприятиях Карелии, Республики Коми, Урала, центра Европейской части России. Лесозаготовительная практика и проведённые исследования показывают, что загрузка оборудования в комбинированных лесообрабатывающих цехах с гибким производственным процессом может быть на 20...30 % выше, чем в специализированных цехах, особенно при малых объёмах обработки древесины.
Проводимые в области лесопромышленного производства исследования показывают [115, 143, 144, 201], что без углубленной переработки
поступающего на лесосклад древесного сырья невозможно добиться максимальной товарной ценности выпускаемой лесопродукции, а значит и эффективного функционирования всего лесозаготовительного производства. Поэтому в структуре лесопромышленного склада особое значение придается производственным участкам, обеспечивающим полную и рациональную переработку всей поступающей на склад древесины. Эти участки позволяют получать пилопродукцию различного назначения, круглые и колотые короткомерные лесоматериалы, товары народного потребления из древесины, технологическую и топливную щепу, древесную стружку и другую лесопродукцию.
Лесообрабатывающее производство тесно связано со всем лесозаготовительным процессом, особенно с предшествующими операциями лесного склада и операциями на складе готовой продукции. Поэтому при исследовании процессов обработки древесного сырья в условиях лесозаготовительных предприятий применён системный подход, который позволяет объективно оценить качество функционирования технологического процесса комбинированного лесообрабатывающего цеха с учетом воздействия на него смежных операций нижнего лесопромышленного склада.
Системный подход в изучении технологического процесса лесообрабатывающего цеха предусматривает разработку математической модели цеха и исследование его свойств методом моделирования.
К числу задач, решаемых на основе системного подхода, относят: определение общей структуры системы; определение связей между подсистемами; учет влияния внешней среды; выбор оптимальной структуры и оптимальных алгоритмов функционирования процесса [2,135,211].
В современных условиях хозяйствования прогрессивным является такое производство, которое активно и динамично реагирует на меняющиеся условия его функционирования. Проведённые исследования и прогноз развития лесопромышленного производства показывают, что наилуч-
шим образом реагируют на изменения состава обрабатываемого древесного сырья и спроса на рынке лесопродукции, а также позволяют решать проблемы конкурентоспособности продукции и обеспечивают высокую рентабельность производства и его эффективность, гибкие лесообрабатывающие процессы (ГЛП) цехов на нижних лесопромышленных складах. Эти процессы позволяют рационально обрабатывать древесное сырьё, исключить простои оборудования цеха вследствие отсутствия того или иного вида сырья, уменьшить относительную вместимость склада сырья перед цехом и избежать создания излишних запасов готовой продукции за счёт исключения затоваривания складов невостребованной лесопродукцией. Однако имеющиеся в настоящее время рекомендации по организации лесообрабатывающего производства справедливы, главным образом, для специализированных цехов, что существенно ограничивает применение этих рекомендаций. Поэтому, исследование гибких лесообрабатывающих процессов и обоснование условий их эффективного функционирования является актуальной проблемой современного лесозаготовительного производства.
В пользу создания гибких лесообрабатывающих производств в условиях лесозаготовительных предприятий свидетельствуют [61,74,114]:
усиливающаяся индивидуализация запросов потребителей на различные виды лесопродукции, своевременное удовлетворение которых невозможно без высокой гибкости производств;
ужесточение требований потребителей к качеству лесопродукции, что находит своё выражение в расширении практики её сертификации и стремление предприятий к соблюдению международных стандартов качества выпускаемой продукции и стимулирует предприятия на постоянное внесение изменений в технологический процесс с целью его совершенствования;
развитие компьютерных и информационных технологий, что спо-
собствует дальнейшему совершенствованию систем управления гибкими лесообрабатывающими процессами, которые становятся экономически доступными средним и малым производителям;
- достижение при организации гибкого лесообрабатывающего про
изводства синергетического эффекта за счёт совмещения переработки раз
личных видов лесоматериалов на различную продукцию в едином техно
логическом процессе, что положительно сказывается на его эффективно
сти.
Кроме того, в пользу создания гибких лесообрабатывающих производств свидетельствует увеличение доли древесины от рубок ухода за лесом в общем объёме поступления древесного сырья на лесопромышленные склады, что необходимо учитывать при разработке рациональных способов переработки древесного сырья, в том числе низкосортного и тонкомерного.
Целью настоящего исследования является разработка гибких лесообрабатывающих процессов, обеспечивающих повышение загрузки применяемого оборудования и рациональное использование древесного сырья в цехах лесозаготовительных предприятий
В соответствие с целью исследования в настоящей работе необходимо решить следующие задачи:
исследовать основные закономерности и особенности функционирования гибких лесообрабатывающих процессов в цехах лесозаготовительных предприятий с учетом воздействия на них меняющихся природно-производственных условий и спроса на лесопродукцию. Сформировать основные требования к организации гибких лесообрабатывающих процессов в цехах на нижних лесопромышленных складах;
разработать классификацию гибких лесообрабатывающих процессов цехов лесозаготовительных предприятий;
разработать математическую модель функционирования гибкого
лесообрабатывающего процесса цеха;
провести экспериментальные исследования по определению показателей потоков обработки заготовок в цехе с гибким лесообрабатывающим процессом с учетом надежности станков и размерно-качественных характеристик обрабатываемых сортиментов, а также потоков лесоматериалов на складах сырья и готовой продукции цехов;
реализовать математическую модель гибкого лесообрабатывающего процесса цеха с целью определения основных характеристик его функционирования;
определить параметры эффективного функционирования гибких лесообрабатывающих процессов цехов;
разработать методику проектирования гибких лесообрабатывающих процессов цехов лесозаготовительных предприятий;
разработать рекомендации, обеспечивающие максимальную загрузку оборудования лесообрабатывающих цехов и рациональное использование древесного сырья с учетом изменений спроса на рынке лесо-продукции.
На основании проведенных исследований и анализа, современного состояния лесообрабатывающего производства в условиях лесозаготовительных предприятий разработана классификация гибких лесообрабатывающих процессов.
Для оценки уровня комбинирования обработки различных по назначению сортиментов в работе предлагается использовать специальный показатель - коэффициент комбинирования. Коэффициент позволяет количественно оценить уровни комбинирования, как отдельных технологических линий, так и цеха в целом. В соответствии с возможными вариантами обработки лесоматериалов в комбинированных цехах в работе выбран для исследования гибкий лесообрабатывающий процесс, обладающий потоками со сложной взаимосвязанной и разветвлённой структурой. Для модели-
рования такого лесообрабатывающего процесса с целью определения экс-плутационных параметров его функционирования применен аппарат стохастической имитации на ЭВМ, обеспечивающий достаточную точность получаемого результата и сохранение сложных взаимосвязей между выполняемыми операциями.
Для прогнозирования спроса на продукцию лесообрабатывающих цехов применен метод нейрокомпьютерного прогнозирования, что позволяет планировать объёмы производства того или иного вида готовой продукции и уменьшить её запасы перед отгрузкой. При многономенклатурном производстве, что характерно для комбинированных цехов, появляется возможность обеспечить максимальную загрузку оборудования за счёт оперативного управления гибкими процессами обработки древесного сырья на основе прогнозного моделирования.
В работе приведен ряд конкретных рекомендаций, обеспечивающих повышение загрузки оборудования, применяемого в лесообрабатывающих цехах лесозаготовительных предприятий, с учетом состава обрабатываемого сырья, стохастичности выполняемых операций, изменчивости спроса на лесопродукцию.
Основные положения и результаты исследований были доложены, обсуждены и одобрены на международных и всероссийских научно-технических конференциях, международных симпозиумах, семинарах, международных выставках, в частности:
на научно-технических конференциях Московского лесотехнического института (Мытищи, 1987-89 гг.), Московского государственного университета леса (Мытищи, 1994-2006 гг.), Санкт-Петербургской лесотехнической академии (Санкт-Петербург, 2002 г.);
всеросийских научно-технических конференциях: «Проблемы лесного комплекса России в переходный период развития экономики» (Вологда, 2002 г.), «Актуальные проблемы развития лесного комплекса»
(Вологда, 2004 г.);
международных конференциях: «Малоотходные технологии переработки древесины и эффективное использование вторичного сырья» (Москва, 2000 г.), 14 European Biomass Conference and Exhibition — Biomass for Energy, Industry and Climate Protection (Paris, 2005), «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2006 г.);
международном форуме «Лесопромышленный комплекс на рубеже веков» (Санкт-Петербург, 2003 г.);
международном симпозиуме «Formec — 96» (Москва, 1996 г.);
семинарах в рамках выставки «Российский лес» (Вологда — Бело-зерск - Кириллов, 2002-2006 гг. );
совещаниях: департамент лесопромышленного комплекса Минпромнауки (Москва, 1998 г.), ОАО «Ковровский лесокомбинат» (Ковров, 2005 г.), ОАО «Меленковский леспромхоз» (Меленки, 2005 г.), ООО «Русь» (Йошкар-Ола, 2007 г.).
Работа выполнена на кафедре технологии и оборудования лесопромышленного производства Московского государственного университета леса. Экспериментальные исследования проводились на лесозаготовительных предприятиях Карелии, Владимирской и Московской областей, республики Марий Эл и других областей Центрального региона России.
Особенности организации лесообрабатывающего производства на нижних лесопромышленных складах
Производство мелкой пилопродукции, тары и клепки из низкосортной и низкокачественной древесины организуется в тарных цехах.
Выработка тарных комплектов в леспромхозах производится в основном в мелких цехах на устаревших малопроизводительных кругло-пильных станках и лесопильных рамах с большим удельным весом ручного труда. Около половины тары в леспромхозах вырабатывается в цехах мощностью 2...3 тыс. м продукции в год, то есть обрабатывающих лишь 5... 10 тыс. MJ круглых лесоматериалов [56,122]. Уровень механизации производственных процессов в тарных цехах колеблется в пределах от 10 до 20 %. Также низок уровень производительности труда, составляющий 0,2...0,4 м на чел./день. По данным ЦНИМОД, коэффициент использования тарных станков составляет 0,23.. .0,39[68].
Проведенный ЦНИИМЭ [67] анализ показал, что из низкокачественного сырья с гнилью до 2/3 диаметра торца целесообразно вырабатывать черновые заготовки, тару, клепку и другую короткомерную пилопродук-цию. Производство пиломатериалов из такого сырья неэффективно. Раскрой низкокачественного сырья лиственных пород должен осуществляться в основном круговым или сегментно-тангентальным способом.
Однако при переработке низкокачественной древесины в комбинированном цехе в общих технологических потоках на пиломатериалы и технологическую щепу возможна эффективная организация производства указанных видов лесопродукции за счет максимальной загрузки станков технологических линий и полного, комплексного использования древесного сырья [145].
Технико-экономическим анализом определена целесообразность обработки на мелкую пилопродукцию дровяного сырья, имеющего поражен-ность гнилью до 3/4 диаметра торца бревна. Распределение дровяного сырья по толщине для различных пород и районов России приведено в работе [68]. Там же приводятся данные по распределению дровяного сырья по размеру гнили.
Исследования показывают [46, 56, 67, 151], что наиболее целесообразно обрабатывать низкокачественную древесину индивидуальным способом, для чего могут быть использованы круглопильные и ленточнопиль-ные станки. При этом подсортировка брёвен необязательна. При индивидуальном способе раскроя низкокачественного сырья с внутренней гнилью объёмный выход пиломатериалов увеличивается на 6,2 %, по сравнению с групповым (на лесопильных рамах), а при раскрое на ленточнопильных станках — на 10,8 %. Кроме того, при индивидуальном способе раскроя лесоматериалов на тарную продукцию можно эффективно использовать до 40...45 % дровяного сырья от его общего выхода [34,75,85].
Однако, многие тарные предприятия лесозаготовительных предприятий, обрабатывающие дровяную древесину, имеют низкие технико-экономические показатели, что объясняется несовершенством технологических процессов в тарных цехах, неприспособленностью оборудования для обработки сырья со значительными пороками, низкой механизацией вспомогательных операций. Таким образом, анализ работы тарных цехов показывает, что этот вид обработки древесины в леспромхозах характеризуется низким уровнем концентрации производства, а также механизации и производительности труда.
Повышение эффективности обработки древесины на пилопродук-цию, тару и клепку требует дальнейшего совершенствования технологических процессов в тарных цехах, повышения уровня концентрации производства, создания новых высокопроизводительных универсальных станков.
Производство балансов (круглых и колотых) является также одним из перспективных направлений в обработке низкокачественной древесины. Для выработки колотых балансов используют преимущественно круглую низкокачественную древесину с внутренней центральной гнилью. Технология обработки дровяных кряжей предусматривает раскряжевку долготья на метровые чураки, раскалывание их на поленья и удаление коры и гнили [84]. Однако до настоящего времени мало уделяется внимания технологии и механизации производства балансов, что подтверждается низким уровнем концентрации данного вида производство на нижних складах и большими трудозатратами, особенно на переместительных операциях [83,97].
Главным направлением улучшения использования дровяного сырья является применение малоотходных и безотходных технологических процессов обработки древесины [85,173]. Одним из основных видов обработки низкокачественной древесины на нижних лесопромышленных складах, соответствующим указанному требованию, является выработка технологической щепы, которая используется затем в целлюлозно-бумажном и гидролизном производствах, а также при производстве древесных плит и другой продукции.
Для выработки щепы, потребляемой целлюлозно-бумажным производством, отечественная промышленность серийно выпускает две системы машин УПЩ производительностью 5 и 10 тыс. м щепы в год при работе в одну смену.
Анализ работы установок типа УПЩ показал, что они достаточно надежны в эксплуатации и обеспечивают необходимое качество продукции. Однако производительность труда при производстве технологической щепы находится на сравнительно низком уровне и составляет 3,5...4,0 м3/чел./день [84,151].
Лесозаготовительные предприятия вырабатывают до 2,8 млн м технологической щепы из отходов цехов по обработке древесины, что является важным фактором в деле полного и комплексного использования древесины. Однако деловые отходы цехов на нижних складах используются недостаточно. Так, например, количество отходов, перерабатываемых на технологическую щепу, по отношению к объёму распиливаемого сырья составляет по лесопильно-деревообрабатывающей промышленности 14 %, а по лесозаготовительным предприятиям только 5,2 % [131].
В работе [165] отмечается, что одним из важных направлений повышения эффективности производства технологической щепы из отходов лесозаготовок и маломерной древесины является совместная их обработка с кондиционной древесиной. Такая технология обеспечивает наиболее полное использование древесины и снижение текущих затрат. На практике реализовать совместную обработку различных видов древесного сырья на нижних лесопромышленных складах можно в комбинированных лесообрабатывающих цехах [199].
Одним из направлений использования низкокачественной древесины является производство древесной упаковочной стружки. Сырьём для производства стружки служат чураки длиной 0,43...0,51 м, которые используют как в цельном виде, так и расколотыми на две, четыре и более частей, в зависимости от диаметра. Цехи по производству стружки располагаются, как правило, вблизи дровяного узла нижнего склада. Основным оборудованием для производства древесной стружки являются древошёрстные станки. Производство древесной стружки в леспромхозах, как правило, осуществляется в нетиповых цехах малой мощности с низким уровнем механизации выполняемых операций [142].
Особенности функционирования гибких лесообрабаты вающих процессов комбинированных цехов
Установлено, что лесозаготовительное производство подвержено воздействию природных факторов [135]. Это воздействие приводит к колебаниям, как производительности отдельных машин, так и всего процесса. Изменение таксационных характеристик разрабатываемых лесосек вызывает соответствующие колебания объёмов лесозаготовок, изменения в сортиментном плане лесопромышленного склада, в объёмном выходе определенных видов сортиментов, изменчивость в широких пределах параметров сырья, поступающего на обработку.
В связи с этим технологические процессы лесопромышленного склада и лесообрабатывающих цехов должны обладать определенной гибкостью для сглаживания отрицательного влияния изменчивости перечисленных выше природно-производственных факторов, а также обеспечивать возможность более полно и эффективно использовать всю заготавливаемую древесину. Таким условиям удовлетворяют комбинированные лесообрабатывающие цехи лесозаготовительных предприятий, которые могут обрабатывать различные виды сортиментов на продукцию нескольких наименований в общих технологических потоках. Создание комбинированных цехов обусловливается необходимостью повышать загрузку оборудования, которая может существенно снижаться вследствие колебания объёмов лесозаготовок и неравномерности объёмного выхода определённых видов сортиментов от раскряжевочных установок вследствие изменений таксационных характеристик разрабатываемых лесосек, изменчивости параметров сырья, поступающего в цех.
Создание комбинированных цехов возможно при организации любого вида производства. При этом коэффициент загрузки применяемых станков и оборудования повышается в среднем на 25...30 % по сравнению со специализированным производством.
В ряде случаев, особенно при малых объёмах лесозаготовительного производства, на нижних лесопромышленных складах могут эффективно функционировать цехи с гибкой (независимой) компоновкой оборудования. При этом древесное сырьё и полуфабрикаты (пачки заготовок) могут передаваться от станка к станку с помощью подъёмно-транспортных машин цикличного действия (монорельсы с тельферами, кран-балки, мостовые краны, малогабаритные автопогрузчики и др.). Поштучная подача заготовок на обработку может выполняться разобщителями различных конструкций и манипуляторами. Применение таких машин позволяет более свободно размещать станки в лесообрабатывающем цехе, а также вносить изменения в технологический процесс цеха при изменении состава обрабатываемого сырья, обеспечивает возможность управления одним оператором группы станков, использовать подъёмно-транспортных машин на вспомогательных операциях (уборке мусора, монтаже оборудования и т.п.).
В пользу создания гибких лесообрабатывающих производств свидетельствует также увеличение доли древесины от рубок ухода за лесом в общем объёме поступления древесного сырья на лесопромышленные склады. Это необходимо учитывать при разработке рациональных способов переработки древесного сырья от рубок ухода, в том числе низкосортного и тонкомерного.
В структуре современного лесопромышленного склада всё большее значение играет участок энергетического использования малоценной древесины и отходов лесозаготовок и деревообработки (участок IV). Полная или частичная замена угля и мазута на древесное топливо при выработке тепловой и электрической энергии для технологических нужд позволяет снизить затраты на производство лесопродукции, способствует решению проблемы полного использования древесных отходов производства и построить замкнутый лесообрабатывающий процесс с минимальным отрицательным воздействием на окружающую среду. В перспективе возможно развитие энергетических участков лесопромышленных предприятий в автономные энергетические системы, которые за счёт энерготехнологического использования древесной биомассы полностью обеспечат потребности промышленного производства и бытового сектора в тепле и электроэнергии. Это особо важно для предприятий, расположенных в северных регионах России и, соответственно, связанных с северным завозом.
Участок V предназначен для хранения и подготовки к отгрузке выработанной лесопродукции на внешний транспорт в соответствии с действующими нормами и требованиями потребителей.
Совмещение лесозаготовительных операций по выработке круглых лесоматериалов с соответствующими деревообрабатывающими операциями на лесопромышленном складе позволяет сделать вывод, что по своей сложной и разветвленной структуре такой лесосклад не является складом. Это — лесообрабатывающий завод. Такая категория лесообрабатывающих производств доминирует в лесозаготовительной отрасли, их роль в современных экономических условиях возрастает.
Таким образом, дальнейшее развитие лесообрабатывающего производства в условиях лесозаготовительных предприятий является необходимой и важной составляющей совершенствования всего процесса лесозаготовок с учетом структуры современных лесопромышленных складов и особенностей организации обработки древесины на лесных складах.
Исследование и установление законов распределения сырья по диаметрам
Приведённый коэффициент комбинирования позволяет количественно оценить уровни комбинирования как отдельных технологических линий, так и цеха в целом. При этом названный коэффициент учитывает долю каждого вида сырья в общем объёме обработки древесины в цехе и количество видов обрабатываемых сортиментов.
Практически количество видов сортиментов, обрабатываемых в комбинированном цехе, находится в пределах 2.. .4, хотя возможно и большее их количество. Коэффициент комбинирования для лесообрабатывающих цехов может изменяться в достаточно больших пределах. Однако, как показали проведенные исследования [199], для большинства комбинированных цехов фк имеет значение до 0,5.
Концентрация обработки древесины на нижних лесопромышленных складах, которая достигается путём создания комбинированных цехов, увеличивает загрузку применяемого оборудования и интенсивность поступления древесины к рассматриваемым цехам, что позволяет создавать запасы сырья перед цехами меньшей относительной вместимости [138, 199], вследствие чего сокращаются соответственно и удельные затраты на их создание, а также уменьшается занятость подъёмно-транспортных машин на обслуживании цехов.
Вследствие обработки различных по назначению сортиментов в общих технологических потоков комбинированных цехов, появляется возможность уменьшить площадку под запас сырья перед цехом и сократить затраты на её строительство за счёт складирования всей древесины в общих штабелях без разделения по видам сырья.
Природно-производственные условия лесозаготовительных предприятий носят случайный характер. Поэтому, чтобы установить качество функционирования технологического процесса комбинированного цеха, необходимо определить статистические размерно-качественные характеристики обрабатываемого сырья, исследовать параметры потоков лесоматериалов в цехе. Кроме того, необходимо знать продолжительности обработки на станках различных видов сортиментов. Эти продолжительности являются также случайными величинами. На показатели качества функционирования комбинированного цеха, кроме неравномерности поступления сырья и колебания циклов обработки брёвен, воздействует также поток отказов оборудования цеха, связанный с надёжностью. В работах [9, 26, 47, 78, 135, 179, 199] показано, что данный фактор имеет значительное влияние.
Краткий анализ особенностей лесообрабатывающего процесса комбинированного цеха позволяет сделать вывод о его сложной производственной структуре. Как отмечалось выше, ряд параметров функционирования рассматриваемой системы являются случайными величинами и имеют различные законы распределения. Как будет показано ниже, для моделирования подобных систем с целью определения параметров их функционирования наиболее применимым является математический аппарат стохастической имитации. Гибкие лесообрабатывающие процессы цехов можно классифицировать по ряду признаков, оказывающих влияние на качество их функционирования.
Анализ проведенных исследований [21,39,188]показывает, что гибкость лесообрабатывающего производства, обеспечивающая его способность адаптироваться к изменяющимся условиям функционирования, может быть достигнута за счет реализации в процессе производства основных видов гибкости, тесно связанных между собой. При этом различают технологическую гибкость и гибкость, связанную с переналаживаемостью производственной системы. Эти основные признаки гибкости связаны с маршрутной, настроечной и номенклатурной видами гибкости, а также с гибкостью объемов выпуска готовой продукции цехов {201.214}.
Технологическая гибкость лесообрабатывающего процесса отражает его способность использовать различные варианты технологического процесса для компенсации возможных отклонений от запланированного графика производства и подразделяется на маршрутную и операционную.
Многовариантные технологические маршруты используются для компенсации локальных перегрузок, возникающих на отдельных видах оборудования из-за поломок или вследствие изменения размерно-качественных параметров обрабатываемых лесоматериалов. Кроме того, изменение маршрута обработки может быть следствием поступления в цех лесоматериалов различного назначения, что является характерным для производственного процесса комбинированных лесообрабатывающих цехов. Выбор варианта технологического маршрута и переход с одного варианта на другой в процессе обработки лесоматериалов может осуществляться системой управления производством автоматически на основе анализа текущей информации о состоянии производства или по команде оператора, наблюдающего за производством.
Настроечная гибкость предусматривает возможность обеспечения эффективного функционирования гибкого лесообрабатывающего процесса при переменной длительности цикла обработки различных лесоматериалов. Проведенными исследованиями [59, 78, 100, 135, 201] установлено, что размерно-качественные параметры лесоматериалов, поступающих в цех на обработку, варьируются в достаточно широких пределах и существенно влияют на продолжительность цикла их обработки. Поэтому настроечную гибкость необходимо задавать еще на этапе проектирования лесообрабатывающего процесса.
Гибкость переналадки производства отражает длительность перехода лесообрабатывающего процесса на выпуск нового вида лесопродукции в рамках возможных вариантов номенклатуры и может характеризоваться количеством переналадок в течении определенного периода времени.
Гибкость номенклатуры отражает способность производства к обновлению лесопродукции и может быть характеризована количеством наименований выпуска готовой продукции и сроками подготовки нового производства. При проектировании гибкого мелкосерийного производства необходимо предусматривать разработку маршрутной и операционной технологии. Следует отметить, что для технологических линий с жесткой автоматизацией стоимость обновления продукции сопоставима со стоимостью всей лесообрабатывающей линии [21, 80].
Управление потоками лесоматериалов в цехе с гибким лесообрабатывающим процессом
Система — это совокупность элементов и устройств, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определённую целостность, единство [4, 8, 13, 33, 134, 210,211].
Свойства системы проявляются при её взаимодействии с внешней средой, под которой понимается множество существующих вне системы элементов, оказывающих влияние на систему или находящихся под её влиянием.
При исследовании объекта (гибкого лесообрабатывающего процесса) используют понятие структуры системы, которое отражает наиболее существенные взаимоотношения между отдельными элементами системы. Сохранение структуры и целостных свойств системы обеспечивают связи, действующие в системе, которые характеризуют её строение и функционирование. Важную роль в системах играет понятие обратной связи, являющейся основной саморегулирования и адаптации системы к изменяющимся условиям функционирования. Учёт обратных связей имеет существенное значение при организации гибких лесообрабатывающих процессов, которые должны адаптироваться к постоянным изменениям на рынке лесопродукции.
Как отмечалось выше, лесообрабатывающие цехи являются сложной системой. Исследование таких систем обуславливает необходимость разработки методов их исследования и анализа результатов. При анализе и синтезе сложных систем получил развитие системный подход, в основу которого положено рассмотрение изучаемого объекта или процесса как системы, состоящих из взаимодействующих элементов. Системный подход в изучении процесса предусматривает разработку его математической модели и исследование его свойств методом моделирования.
К числу задач, решаемых на основе системного подхода, относят: определение общей структуры системы; определение связей между подсистемами; учёт влияния внешней среды; выбор оптимальной структуры и оптимальных алгоритмов функционирования процесса [135].
Разделение — свойство, характерное для любой сложной системы. Так, все элементы технологических процессов лесообрабатывающих цехов могут быть отнесены к основным и вспомогательным её частям. К основным относят лесообрабатывающие станки, к вспомогательным - транспортёры, промежуточные накопители и т.п. При этом каждая составная часть системы может быть отдельным элементом или их совокупностью. Характер и допустимый предел разделения сложной системы зависит от типа решаемых задач.
Целостность объекта или процесса характеризуется связями его составных частей, а также общими свойствами объекта системы как целого. При рассмотрении свойств целостности следует отметить, что свойства системы не являются суммой свойств её элементов. Так производительность технологической линии лесообрабатывающего цеха будет меньше, чем производительность любого станка (элемента) входящего в эту линию. Однако свойства системы зависят от свойств отдельных элементов, так как изменение в одном элементе вызывает изменения во всех остальных элементах и в целом во всей системе.
Среди отработанных методов и форм системного анализа и отображения его результатов можно отметить следующие. Для выявления и структуризации процессов, характеризующихся большим количеством или сложным характером взаимосвязей, используется дерево анализа проблемы. Оно, как правило, включает три основные ветви: 1) что нужно исследовать и разработать; 2) из чего состоит система; 3) как она работает и взаимодействует с другими системами [135, 210]. Таким образом, анализ технологических процессов лесообрабатывающих цехов должен основываться не на изолированном рассмотрении отдельных операций, а на комплексном подходе к процессу, учитывая взаимосвязь между всеми операциями и с внешними системами [135]. В настоящее время в лесопромышленном производстве наблюдается процесс расширения номенклатуры производимых изделий и увеличение их общего количества. Наряду с этим возрастают требования к качеству готовой про 79 дукции лесообработки [172]. В связи с этим лесообрабатывающие процессы должны быть достаточно совершенными и обладать определённой гибкостью для сглаживания отрицательного влияния изменчивости природно-производственных факторов в процессе лесозаготовок, а также обеспечивать возможность более полного и эффективного использования всей заготавливаемой древесины. Кроме того, лесообрабатывающие процессы должны создаваться с учётом возможности оперативной корректировки производственной программы выпуска готовой продукции вследствие колебаний спроса на рынке лесопродукции. Этим требованиям удовлетворяют гибкие лесообрабатывающие процессы (ГЛП), которые характеризуются возможностью быстрой их перестройки без капитальной замены применяемого оборудования. Целью создания ГЛП является, прежде всего, повышение загрузки применяемого оборудования, что способствует в конечном итоге росту производительности и эффективности производства [114, 145]. Для формализации описания и последующего моделирования гибкого лесообрабатывающего процесса его представляют в виде системы, функционирующей как некое множество агрегатов, подчиненных решению общей задачи. При формализации ГЛП необходимо предварительное изучение структуры составляющих его агрегатов, результатом чего является описание процесса, позволяющее определить количественные характеристики агрегатов, степень и характер взаимодействия между ними, место и значение каждого агрегата в лесообрабатывающем процессе [106]. При этом необходимо: выделить рассматриваемый ГЛП как элемент некоторой системы, чтобы исследовать функционирование ГЛП как целого, выделить в ГЛП составляющие его элементы и формально их описать, изучить взаимодействие элементов ГЛП.
