Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 13
1.1. Краткий обзор работ в области продольного раскроя пиловочных бревен на пиломатериалы 13
1.2. Базирование в производстве пиломатериалов 18
1.3. Базирование лесоматериалов с предварительно сформированными на них технологическими базами 33
1.4. Совершенствование производства пиломатериалов 42
1.5. Выводы, цель и задачи исследований
1.5.1. Обозначение проблемы и групп задач 46
1.5.2. Основные этапы (подходы) разрешения проблемы по
группам задач 47
2. База и объект исследований. общая характеристика динамики изменения и колебаний 51
2.1. Вступительные замечания 51
2.2. Характеристика лесосырьевой базы 51
2.2.1. Общая характеристика 54
2.2.1.1. Классифицированное представление еловых древостоев Севера 54
2.2.1.2. Зональное деление еловых древостоев Севера 55
2.2.2. Изменение состава сырья лесоэкспортных ЛДП на примере АО "Северолесоэкспорт". 56
2.3. Закономерности распределения размерных характеристик древостоев и пиловочных бревен 61
2.3.1. Таксационное строение 61
2.3.2. Распределение бревен по диаметрам 64
2.3.3. Характер распределения бревен по длинам
2.4. Характеристика качественного состояния древостоев и пиловочных бревен 70
2.4.1. Фаутность древостоев 70
2.4.2. Распределение пиловочных бревен по кривизне 72
2.4.2.1. Закономерности распределения бревен по кривизне... 73
2.5. Выявление тренда в формировании состава пиловочного сырья 78
2.6. Выводы 81
3. Исследование влияния способов ориентации бревен на основные показатели раскроя пилопродукцйи. обоснование технологических параметров раскроя бревен на участке подготовки пиловочника к распиловке 83
3.1. Вступительные замечания 83
3.2. Общие методические положения 84
3.3. Результаты корреляционно-регрессионного анализа
процесса формирования и раскроя пилозаготовок 92
3.3.1. Переработка бревен без кривизны 92
3.3.2. Переработка бревен с учетом кривых, ориентированных кривизной вниз 98
3.3.3. Переработка бревен с учетом положения кривизны
3.3.3.1. Результаты реализации эксперимента 105
3.3.3.2. Характеристика осноных технологических факторов... 108
3.3.3.3. Результаты реализации эксперимента по вариантам раскроя 116
3.3.3.4. Результаты сравнения вариантов раскроя 118
3.4. Влияние минимальной длины досок на эффективность
способов ориентации бревен перед раскроем 120
3.5. Пример реализации результатов исследований в технологии производства пиломатериалов на основе базоформирования. 126
3.6. Выводы 130
4. Исследование пгодольного раскроя бревен на пиломатериалы. обоснование технологических параметров многоцелевого
4.1. Основные положения. Технологическое и информационное обеспечение многоцелевого раскроя круглых лесоматериалов 133
4.2. Общие методические положения
4.2.1. Математические, 140
4.2.2. Технологические. 143
4.3. Совершенствование технологии получения пиломатериалов в условиях специализации предприятий по сечениям вырабатываемой продукции 151
4.3.1. Реализация результатов моделирования 151
4.3.1.1. Принятые условия и ограничения 152
4.3.1.2. Результаты определения условий эффективной распиловки бревен и брусьев
4.3.2. Оптимизация плана раскроя и расчет рациональных поставов 164
4.3.3. Влияние ориентации бруса перед станком на улучшение основных показателей раскроя 1 4.4. Определение положения бруса перед раскроем 169
4.5. Выводы 178
5. Исследование параметров формообразования пиломатериалов при раскрое бревен параллельно образующей. обоснование основных технологических требований на участке формирования сечений пиломатериалов 181
5.1. Вступительные замечания 181
5.1.1. Оптимальные размеры досок при ориентировании бревна по образующей 182
5.3- Общие методические положения 186
5.4. Математическое моделирование и алгоритмическая оценка.. 190
5.4.1. Имитационное моделирование 190
5.4.2. Построение алгоритма и комментарии к блок-схемам 193
5.4.3. Пример реализации результатов моделирования 199
5.5. Совершенствование параметров поставов для распиловки бревен параллельно образующей 206
5.6. Выводы 209
6. Исследование основных технологических параметров многоцелевого раскроя круглых лесоматериалов при различных способах ориентации бревен и брусьев 211
6.1. Вступительные замечания и постановка задачи 211
6.2. Математическое моделирование несимметричного раскроя бревен 212
6.2.1. Построение алгоритма продольного раскроя бревен 212
6.3. Результаты исследований. 224
6.3.1. Влияние способа ориентация бревен на основные
показатели раскроя 226
6.3.1.1. Условия формирования боковых досок постава оптимальной ширины 226
6.3.1.2. Условия формирования рациональных параметров пиломатериалов стандартных размеров 232
6.3.1.3. Влияние ряда технологических факторов на эффективность применения различных способов ориентации
6.3.2. Влияние способа ориентация брусьев на основные показатели раскроя 241
6.3.3. Обеспечение технологичности базирования бревен и брусьев в производстве пиломатериалов 244
6.4. Выводы 248
б
7. Ограничение способности пиломатериалов к деформированию средствами технологий 251
7.1. Вступительные замечания 251
7.2. Постановка вопроса исследований 252
7.3. Разработка процесса производства пилопродукции с учетом способности древесины к деформированию 255
7.4. Результаты теоретических исследований по определению граничных условий деформируемости брусьев
7.4.1. Определение граничных условий деформируемости брусьев 261
7.4.2. Определение вектора деформирования в выбранной системе координат 264
7.5. Результаты экспериментальных исследований влияния основных технологических факторов на деформационное состояние пилопродукции 267
7.5.1. Общие методические положения 267
7.5.2. Влияние глубины обработки на характер деформированного состояния брусьев 270
7.5.3. Влияние ширины формируемой пласти на характер деформированного состояния брусьев 274
7.5.4. Влияние ориентации бревен перед раскроем на характер деформируемого состояния брусьев 278
7.5.5. Экспериментальная оценка влияния основных технологических факторов на характер деформированного состояния брусьев 285
7.6. Выводы 287
8. Экспериментальные исследования продольного раскроя лесоматериалов на пиломатериалы при различных способах ориентации бревен и брусьев 292
8.1. Экспериментальная оценка процесса производства
пиломатериалов при сложном способе ориентации бревен... 292
8.1.1. Общие методические положения 292
8.1.1.1. Краткое описание технологического процесса экспериментальной базы. 297
8.1.1.2. Описание экспериментальных установок для ориентации бревен
8.1.1.2.1. Устройство для ориентации и передачи бревен в конвейер подачи N 1 300
8.1.1.2.2. Устройство для ориентации и передачи бревен в конвейер подачи N 2 301
8.1.1.2.3. Устройство для ориентации и передачи бревен в конвейер подачи N 3 304
8.1.2. Результаты эксперимента 306
8.1.2.1. Характеристика объемного выхода пиломатериалов 306
8.1.2.2. Характеристика параметров потока пиломатериалов...
8.1.2.2.1. Количественное распределение тонких досок 310
8.1.2.2.2. Характер распределения тонких досок по ширинам... 312
8.1.2.2.3. Характер распределения тонких досок по длинам... 314
8.1.2.3. Результаты опытных распиловок бревен с кривизной... 316
8.2. Экспериментальная оценка процесса производства пиломатериалов при различных способах ориентации брусьев 320
8.2.1. Основные методические положения 320
8.2.1.1. Конвейер подачи брусьев в лесопильную раму 323
8.2.2. Сравнительная оценка способов распиловки брусьев 326
8.2.2.1. Характер изменения выхода пиломатериалов 326
8.2.2.2. Характеристика потока тонких досок 329
8.3. Выводы 331
9. Исследование изменчивости параметров перифирийной (горбыльной) зоны с учетом результатов распиловки при различных способах ориентации бревен 334
9.1. Вступительные замечания и постановка задачи исследований 334
9.2. Определение параметров горбыля и его объема с учетом результатов распиловки, ориентации бревен различных размерных характеристик, положения кривизны 336
9.3. Повышение эффективности использования кусковых отходов лесопиления на основе планирования их размеров при
осевой распиловке бревен и брусьев 339
9.4. Определение параметров горбыля и его объема с учетом результатов распиловки, ориентации бревен различных размерных характеристик без кривизны, выпиленных из вершинной части ствола 345
9.4.1. Формализованный метод определения объема горбыля 345
9.4.1.1. Основные результаты сравнительной оценки способов определения объема горбыля по серединному сечению и формализованного при прогнозировании объема продуктивной зоны бревна для выработки пилопродукции 351
9.4.1.2. Экспериментальная оценка способа определения объема горбыля по серединному сечению и формализованного метода с ксилометрическим 359
9.4.2. Номографическое описание изменчивости объема горбыля в зависимости от основных технологических факторов... 363
9.5. Некоторые направления комплексного использования пиловочного сырья при использования горбыля 367
9.5.1. Определение возможности использования горбыля для производства заготовок стеновых панелей 367
9.5.2. Определение возможности использования горбыля для производства заготовок европоддонов
9.5.2.1. Совершенствование технологии получения заготовок... 370
9.5.2.2. Организация производства заготовок 378
9.6. Выводы 380
10. Оценка материалоешзсти пмлопродукцйи при шогоцелевом способе ее производства. реализация результатов исследований в исходных технологических требованиях 382
10.1. Вступительные замечания. 382
10.2. Оценка объема продуктивной зоны бревна при выработке пилопродукции 382
10.2.1. Определение объема продуктивной зоны бревна при выработке пилопродукции 384
10.2.1.1. Теоретический метод определения выхода пилозаготовок 385
10.2.1.2. Определение выхода пилозаготовок экспериментальным путем 386
10.2.1.3. Результаты сравнения расчетных и фактических данных выхода пилозаготовок 386
10.2.2. Нормативы выхода четырехкантных обзольных брусьев (пилозаготовок) 387
10.3. Оценка материалоемкости пиломатериалов 389
10.3.1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований изменения коэффициента выхода пиломатериалов по зонам постава 389
10.3.2. Определение среднего объемного выхода пиломатериалов, выпиливаемых из пласти бруса 393
10.3.3. Расчет среднего объемного выхода и количества пиловочного сырья на выполнение спецификации пиломатериалов 396
10.4. Технологическая оценка получения пиломатериалов заданных размеров при раскрое пилозаготовок 397
10.5. Назначение отклонений к основным технологическим параметрам окантованных бревен 399
10.6. Результаты реализации основных положений работы в исходных технологических требованиях 401
10.6.1. Технологическое и информационное обеспечение 401
10.6.2. Результаты исследовательских испытаний узлов экспериментальных установок в опытно-промышленных условиях 404
10.7. Выводы 406
11. Экономическая эффективность результатов исследований и практических рекомендаций 407
Заключение : 412
Литература
- Базирование в производстве пиломатериалов
- Зональное деление еловых древостоев Севера
- Переработка бревен с учетом кривых, ориентированных кривизной вниз
- Результаты определения условий эффективной распиловки бревен и брусьев
Введение к работе
Актуальность темы. Значение рационального использования лесосырьезых ресурсов определяется как экономическими интересами, так и ролью лесов в охране окружающей среды. Удовлетворение возрастающих потребностей общества в древесине и продуктах из нее путем эффективного использования позволяет сохранить большие площади лесов для выполнения важных рекреационных и защитных функций.
Проблема рационального использования пиловочного сырья в производстве пиломатериалов возникла закономерно и определяется, во-первых, ростом потребности в лесоматериалах, с одной стороны, и с другой, - ограниченностью лесных ресурсов; во-вторых, необходимостью повышения эффективности производства и объемов выработки высококвалифицированной продукции при стабилизации темпов лесозаготовок.
Технологические процессы раскроя круглых лесоматериалов имеют моноцелевой характер. При ориентировании на получение определенного вида продукции соответствующему выбору подчиняется и комплекс мероприятий, реализация которых и определяет в конечном итоге эффективность производства.
При многоцелевой переработке круглых лесоматериалов обеспечивается возможность регламентировать как параметры отходов (не в ущерб выходу основного продукта), так и, как следствие, - повысить общий выход продукции лесопереработки. Предпосылки рацио-нальнного расходования сырья основываются на многоцелевом использовании древесины пиловочника на базе организации параллельных производств.
Центральным вопросом многоцелевой переработки круглых лесоматериалов является раскрой бревен на пилопродукцию. При этом определение рациональных условий формообразования пиломатериалов во многом определяет эффективность метода и производства в целом.
Накопленный опыт позволяет реализовать положения многоцелевого способа раскроя круглых лесоматериалов средствами технологии. Технологическая и информационная поддержка метода Еключает комплекс вопросов, требующих первоочередного решения. Выбор технологических требовачий должен осуществляться дифференцированно в зависимости от региональной принадлежности, особенностей строения лесосырьевои базы, характеристик пиловочного сырья, применяемых
їбхнологии и оборудования, ориентации предметов обработки по поставу инструмента лесопильного станка, ряда эксплуатационных факторов.
Реализация наиболее эффективного плана раскроя на основе назначения рациональных поставов и базирования позволит повысить стоимостной выход продукции, снизить затраты производства и решить ряд других задач повышения технико-экономических показателей лесопиления.
Цель и задачи исследований. Цель работы - снижение материалоемкости пилопродукции средствами технологии на базе,многоцелевой распиловки бревен путем улучшения основных показателей их раскроя на основе совершенствования линейных параметров поставов и способов базирования лесоматериалов.
Для достижения указанной цели при выполнении комплекса организационно-технических мероприятий решению подлежали задачи по:
определению перспективных направлений совершенствования техно-лического процесса и оборудования лесопильных потоков, обеспечивающих более рациональное использование древесины яри производстве экспортных пиломатериалов;
изучению временной характеристики изменчивости состава лесо-сырьевой базы; назначению основных ограничений процесса производства пиломатериалов при многоцелевом способе раскроя бревен на базе организации параллельных производств;
аналитическому анализу влияния способов базирования бревен и брусьев на линейные параметры поставоЕ;
исследованию деформационной способности продукции лесопиления при изменении ориентации и условий формирования поставов;
экспериментальной оценке основных теоретических положений по формированию рациональных параметров поставов при различных вариантах ориентации бревен и брусьев перед раскроем;
разработке технологических требований к ориентированию бревен и брусьев перед раскроем и условий выполнения операции формообразования пиломатериалов при массовом способе их производства;
разработке исходных технологических требований к комплексу специализированных базирующих устройств, обеспечивающих внедрение многоцелевого способа раскроя круглых лесоматериалов на пиломатериалы.
Объекты и методы исследований. По региональной принадлежности в качестве объекта исследований при-
няты лесосырьевая база северо-заладного региона европейской части России и лесоэкспортные предприятия концерна "Северолес" и ПО "Северолесоэкспорт"; производственные процессы лесопиления, начиная от поставки пиловочного сырья до формирования одноразмерных партий пиломатериалов стандартных размеров транспортной влажности, включая участки подготовки пиловочника к распиловке и формирования сечений пиломатериалов.
При выполнении теоретических и экспериментальных исследований использовали методы математической статистики и теории планирования экспериментов, элементы математического моделирования и анализа, теории вероятностей. Программы имитационного моделирования продольного раскроя бревен реализовывали, а результаты статистических экспериментов обрабатывали при применениии современных средств вычислительной техники с использованием разработанных и стандартных прикладных программ.
Научная новизна. Сформулированы основы решения эколого-технологических проблем производства пиломатериалов при многоцелевом раскрое пиловочника на базе организации параллельных производств.
Ранжирование основных направлений рационального использования древесины для выработки пиломатериалов включает круг вопросов по совершенствованию технологии получения пиломатериалов (в частности, улучшения основных показателей раскроя бревен средствами технологии и оценки условий совершенствования параметров поставов). К ним отнесены: определение (и назначение) рациональных размеров обрезных досок в пифагорической зоне з зависимости от характеристик пиловочника, ориентации и местоположения доски в поставе; определение размеров обрезных досок в параболической зоне бревна при различных способах ориентации его перед раскроем; определение размеров обрезных досок при распиловке бревен с кривизной в зависимости от положения кривизны; определение (и назначение) рациональных размеров бруса с учетом более полного использования древесины бревна для выработки пиломатериалов в зависимости от способов ориентации бревен и брусьев перед раскроем.
Установлены основные параметры тренда в формировании характеристик пиловочных бревен по заданному числу скользящих баз. Впервые в отрасли изменения размерных характеристик бревен рассмотрены в связи с региональной принадлежностью лесосырьевой базы, ее строением. По совокупным данным динамических рядов определены
итахиитичыикие и ае^интмиихные йаяииимиихм изменении иипивпыл ла-
рактеристик пиловочника, влияюпщх на технико-экономические показатели производства. Обоснованы выборочные значения параметра тренда, в меньшей степени подверженного влиянию случайностей в распределении колебаний состава сырья, сформулированы основные технологические характеристики процесса производства пиломатериалов.
Разработаны технологические принципы многоцелевого раскроя круглых лесоматериалов на пиломатериалы. Установлены аналитические зависимости параметров потока пиломатериалов при распиловке бревен, в частности, с кривизной, от способов базирования предметов обработки на станках лесопильного потока. Определены приоритетные параметры поставов. Сформулированы основные требования к базированию бревен и брусьев перед распиловкой, способствующие улучшению основных показателей раскроя при уменьшении сортировочных групп бревен и формировании одноразмерных партий пиломатериалов в многопроходных производственных процессах. На основании полученных зависимостей долгопериодических колебаний разработаны технологические требования пооперационного формообразования пи-лопродукции.
В полном аспекте дано технологическое обоснование эффективности применения всех возможных способов ориентации бревен и брусьев перед раскроем. Методики и программы, результаты алгоритмического анализа дают праго научно-обоснованного выбора варианта установки предметов обработки на станках лесопильного потока в смешанных многопроходных процессах при соблюдений требований технологичности базирования, не абстрогируясь от поставоЕ.
Изучены возможности ограничения способности древесины к деформированию средствами технологии. Принципы построения технологических режимов являются результатом реализации алгоритма построения технологического процесса формообразования пилопродук-ции с учетом способности древесины к деформированию. Основные результаты включают оценку влияния на характер деформируемого состояния брусьев; ориентации бревен, глубины и ширины обработки, формы предмета труда, стадийности обработки и технологии производства пиломатериалов.
Практическая ценность. Разработаны принципиально новые технические решения задачи создания зколого-технологических основ лесопиления и эффективных ресурсосберегающих
-?-
технологий автоматизированного производства пиломатериалов с использованием отходов лесопиления в качестве сырья заготовок-полуфабрикатов.
Результаты работы являлись составной частью комплекса выполненных ЦНИИМОДом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию технологии и оборудования автоматизированного производства пиломатериалов в 1980-1985 гг. и их испытанию, разработанной малооперационной технологии производства пиломатериалов согласно постановлению ГКНТ N 555 от 30.11.85 г. по важнейшей тематике (рук. В.Г.Турушев); создания экспериментальных и опытно-промышленных образцов оборудования в 1986-1990 гг. (рук. В.Г.Турушев), а также АГТУ в рамках реализации Государственной НТП "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья" в 1990-1995 гг. по направлению разработки технологических основ автоматизации процессов поперечного и продольного раскроя лесоматериалов с применением ПЭВМ и современных средств базирования предметов труда, как важнейшего условия минимизации потерь древесины в отходы (рук. В.Г.Турушев); региональной НТП "Система функционирования химико-лесного комплекса Европейского Севера России на 1994-2000 гг." в 1994-1996 гг. по направлению разработки технологических и информационных основ автоматизированных производственных процессов многоцелевой переработки круглых лесоматериалов (рук. А.Е.Алексеев); конкурса грантов в 1995-199? гг. по направлению разработки технологических основ многоцелевого раскроя круглых лесоматериалов (рук. В.Г.Турушев).
Выполнены при непосредственном участии и подготовлены по результатам исследований автора:
исходные технологические требования автоматизированного производства пиломатериалов (сборник несимметричных постаЕов на распиловку пиловочного сырья при различных способах установки бревен и брусьев перед раскроем, нормативы выхода пилозаготовок -обзольных четырехкантных брусьев, технологические режимы производства пиломатериалов, сборник технических посылок для лесопильных рам, технологический регламент процесса);
исходные технологические требования к комплексу базирующих устройств для бревен и брусьев, реализованные при разработке технологии и создании оборудования автоматизированного производства пиломатериалов (линии сортировки бревен по диаметрам РБ-12, ба-зоформирувдей линии БФЛ, линии переработки пилозаготовок ЛПЗ, пи-
«целей w иидзиіслси uKjjusai'UJUjsuri в рси-шши-шичшле UTcuirCHj ;
- информационное обеспечение, включая программы и методики,
могут 'быть использованы проектными, конструкторскими и другими
организациями при разработке, модернизации, создании технологий и
оборудования, в практике технологических расчетов и последующих
исследованиях.
На защиту выносится:
технологическое и информационное обеспечение многоцелевого раскроя круглых лесоматериалов на высококвалифицированные виды пилопродукции;
принципы построения технологических режимов производства пиломатериалов и основные положения по ограничений способности древесины к деформированию средствами технологии;
исходные технологические требования по обоснованию параметров комплекса базирующих устройств смешанных лесопильных потоков.
Реализация результатов. Результаты работы, полностью отраженные в научных отчетах ЦНИШОДа и АГТУ за 1980-1997 гг., а также в разработанной нормативно-технической документации, использованы ВНПО "Союзнаучдревпром" при разработке и создании малооперационной технологии и оборудования автоматизированного производства пиломатериалов.
Исходные требования малооперационной технологии производства пиломатериалов, включающие "Сборник поставов" на 7? стр., "Нормативы Еыхсда пилозаготовок" на 6 стр., "Технологические режимы производства пиломатериалов" на 13 стр., "Технические посылки для лесопильных рам" на 6? стр. утверждены на уровне ЦНШМОДа ВНПО "Союзнаучдревпром" 15.06.88 г.
Технологические режимы производства пиломатериалов на основе базоформирования (режим базоформирозания, режим распиловки пилозаготовок на среднепросветных лесопильных рамах, технические посылки для лесопильных рам 2Р75, технологический регламент), изложенные на 82 стр., согласованные с "Гипродрев" и "Северолесозкс-порт" утвеждены Главным технологическим управлением по производству пиломатериалов и деревообрабтке Минлеспрома СССР 14.12.88 г.
Заложенные исходные технологические требования для реализации сложного способа распиловки, а также технологии производства пиломатериалов при базоформировании, нашли воплощение в ряде базирующих устройств для бреЕен и брусьев, спроектированных ЦНИИ-
МОД, изготовленных и испытанных в опытно-промышленном производстве; вошли в качестве исходных в заявку Минстанкопрому СССР на комплекс опытно-промышленных образцов оборудования малооперационной технологии производства пиломатериалов на основе базоформиро-вания.
Требования к технологии и режимам формирования пиломатериалов, способ распиловки бревен проверены экспериментально межведомственной комиссией с привлечением от Минстанкопрома СССР сотрудников НПО "ВНЩЦМАШ" и ГКЕД, технологические требования отработаны в опытно-промышленных условиях.
Программы имитационного моделирования продольного раскроя бревен приняты к эксплуатации на ВЦ ЦНИИМОДа.
Основополагающие результаты работы использованы на ряде предприятий АО "Северолесоэкспорт" в качестве рекомендательных. Выявленные закономерности в изменении состава поступающего на предприятия планируемого круга пиловочного сырья и эффективности его переработки на пиломатериалы экспортного и внутреннего рынков получили отражение в планах работы АО "Северолесоэкспорт" на бли-жайщую перспективу. Сформулированные при участии автора технологические требования к базированию бревен и брусьев перед лесопильными рамами первого и второго рядов использованы в качестве исходных при проектировании базирующих устройств на межгосударственном уровне. Полученные зависимости изменения основных характеристик процесса рамной распиловки, а также программы расчета поставов и планирования раскроя пиловочного сырья при различных способах установки предметов обработки перед лесопильными станками применены в технологических расчетах.
Разработан, испытан и внедрен в практику технологических расчетов АО "ЛДК N 3" г. Архангельска формализованный метод определения объема горбыля.
Рекомендации по базированию бреЕен перед раскроем внедрены на АО "Лесозавод N 2" г. Архангельска.
Требования к участкам формирования и раскроя пилозаготовок использованы АФ "Гипродрев" и приняты за основу при построении технологии и реконструкции АО "Лесозавод N 2" г. Архангельска.
В рамках договорной тематики использованы и применяются на ряде предприятий "Архлеспром", "Северолесоэкспорт", "Кировлесп-ром" и др. методики и программы для ЭВМ по расчету рациональных поставов и планированию раскроя пиловочного сырья.
йііроііацин р а и и т ы. йипиапыа иилиланум джллгр-
тации и ее отдельные разделы представлялись на:
-.всесоюзных и республиканских научно-технических и практических конференциях в ЦНИИМОДе (г.Архангельск,1983,1986,1989,1992 гг.), УкрНИИМОДе (г.Киев,1984,1986,1989,1991гг.), ИПК Минлеспрома СССР (г.Москва,1985,1988г.-диплом), ПКТИ (г.Ивано-Франковск,1985, 1990гг.);
краевых в СибТИ (г.Красноярск,1989 г.);
межвузовских по результатам научно-исследовательских работ в АЛТИ (г.Архангельск,1984,1991гг.), МГУлеса (г.Москва,1995г.);
заседаниях Ученого Совета ЦНИЙМОДа ( г. Архангельск, 1980, 1984...1990 гг.);
ежегодных конференциях профессорско-преподавательского со-тава АГТУ (г.Архангельск,1990...1995гг.), кафедрах "Станков и инструментов" и "Деревообработки" МГУЛ (г.Москва,1986,1987гг.), "Деревообработки" ЛГТУ (г.Львов,1988 г.);
технических и экспертных советах ЦНИЙМОДа, ЭТО "Красный Октябрь", АО "л/з N 12", АО "ЛДК N 3", АО "Маимаксанский ЛДК", АО "Кузнечевский л/з" (г.Архангельск), Лузского ЛПК (Кировская об.), Кустанайского ППСМ (г.Кустанай), ГКБД (г.Вологда);
межведомственных комкссииях ЦНИИМОД, ГКБД, ЗНЖДмаш (г.Архангельск, 1987 г.), РФ Гипсе поед (1983.. .1985г. >, в самках реализации важнейшей тематики ЦНММОДа по разработке маюоперацион-ной технологии и создания оборудования автоматизированного производства пиломатериалов- в ТУ и ПУ Минлеспрома СССР (г.Москва,1985 ...1988 гг.), Главдревстанкопроме Минстанкопрома СССР (г. Москва, 1987г.), в рамках реализации ГНТП РФ АГТУ "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья"- в СибТИ. (г.Красноярск, 1991г.), ЦНЙИММЗ (г.Москва,1991,1992гг.), ЛТА (г.Санкт-Петербург, 1993,1994гг.).
Основные теоретические положения проверены экспериментально по утвержденным методикам и программам.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 70 печатных работ, включая обзоры, авторские свидетельства на изобретения, статьи, тезисы докладов. Основные ее положения раскрыты в 42 работах, опубликованных в ведущих изданиях, и изобретениях (список в конце автореферата).
Основное содержание работы отражено в отчетах по НИОКР ЦНИИ-МОД ШО "Научдревпроы" (ВНШ "Союзнаучдревпром") за 1980-90гг.(NN
ГР 81034410-107, 01860065219-133) и АГТУ ва 1990-9ІГГ. (NN ГР 01. 9.10026443-402, 01.9.10026444-405, 01.9.20001820-410, 01.9.30 000 230, 02.9.30 002064-941).
Объем работы. Состоит из введения, одиннадцати глав, заключения, списка литературы, включающего 238 наименований на 18 страницах машинописного текста, и 11 приложений на 151 странице. Общий объем работы - 590 страниц машинописного текста, основное содержание изложено на 411 страницах и включает текстовую часть на 298 страницах, 123 рисунка и 65 таблиц.
Базирование в производстве пиломатериалов
Теоретические основы раскроя бревен на пиломатериалы разработаны Х.Л.Фельдманом [4.3]. Задача повышения выхода пиломатериалов при раскрое бревен решена им путем определения наибольших по площади прямоугольников, вписываемых в вершинный торец бревна. Корректировка выхода пилопродукции производилась вычитанием площадей, занимаемых пропилами и усушкой. Полученные результаты справедливы при раскрое бревен цилиндрической формы и бревен с коэффициентом сбега 1,18 см/м.
Совершенствование и развитие теории максимальных поставов отражено в работах Д.Ф.Шапиро [1.1,1.23. Он предложил графический метод расчета поставов, номограммы по их расчету при различном количестве досок. Им дан анализ влияния на выход пиломатериалов диаметра, длины бревен и их сбега.
Дальнейшее развитие теория раскроя получила в работах А.Н.Песоцкого [1.3,1.4]. Им выявлены зависимости снижения обьем 14 ного выхода пиломатериалов вследствие эллиптичности поперечного сечения бревен, кривизны, неточности определения их диаметра, погрешностей базирования. Г.Д.Власов Cl.5-1.73 предложил метод расчета среднего диаметра для широкой спецификации сырья с точностью 3-5%. Он ввел понятие нормального постава, который учитывает требования стандартов и технических условий на пиломатериалы. Г.Г.Титковым [1.8,4.113 установлены зависимости применения оптимальных толщин досок от их положения в поставе, определены охваты бревен поставами пил. Он учитывал потери древесины в рейку, на пропилы и усушку. М.Н.Гутерманом [1.93 определены оптимальные толщины досок в зависимости от охвата бревен поставом. Даны рекомендации по раскрою бревен с эллиптичностью поперечного сечения.
Развитие и уточнение теоретических положений обьємного использования древесины даны П.П.Аксеновым [1.10,1.11,4.4,4.53. В основу теории раскроя бревен им положен принцип сокращения потерь древесины в рейку по торцу и длине бревна. Установлено, что потери древесины в опилки и на усушку зависят от лесопильного оборудования и спецификации пиломатериалов и не зависят от постава.
Исследования по объемному выходу пиломатериалов расширены Н.А.Батиным [1.12,1.133. Он установил количественную зависимость объемного выхода пиломатериалов от размеров и формы сырья, поставов, ширин пропилов, способа раскроя бревен и необрезных досок. Им предложены графоаналитический метод расчета поставов и выбора оптимальных толщин досок. Н.А.Батин впервые дал общее теоретическое решение вопроса о выгодности брусовки перед развалом.
В.А.Залгаллером, Л.В. Канторовичем разработан графический метод составления максимальных поставов по экстремальному призна 15 ку [1.14,1.15]. Способ получения наибольшего объемного выхода пиломатериалов, предложенный Г.И.Стоевым 1.16], основан на условном равенстве отходов древесины в опилки и рейки. По рекомендадиям автора следует подбирать постав из условий выпиловки пиломатериалов стандартных размеров.
А.В.Грачевым [1.17] разработан метод составления поставов с наибольшим числом сечений, а также рекомендации по раскрою крупномерного сырья на два и три бруса. Предложены ряды поперечных размеров пиломатериалов для экспорта и внутреннего потребления при специализации предприятий по сечениям досок.
А.М.Минкевичем, Г.Д.Власовым даны рекомендации по уменьшению числа одновременно вырабатываемых сечений пиломатериалов, не содержащие количественных оценок: планировать раскрой сырья, проводить распиловку брусовым способом, сортировать бревна по породам, размерам и качеству, уменьшить число толщин досок в поставах.
Влияние различных факторов на рассеивание ширин пиломатериалов раскрыто в работах А.Н.Песоцкого, В.А.Залгаллёра и Л.В.Канторовича, Г.Г.Титкова. Влияние кривизны и сбега пиловочника на длину и ширину досок изучалось В.Г.Турушевым. Анализ работ, проведенный В.А.Клюевым [1.18-1.20,11.1], показал, что наиболее значи-- тельное влияние на рассеивание ширин досок оказывает точность подборки бревен и смещение бревен и брусьев при раскрое. Брусовый способ раскроя и сбег бревен уменьшают влияние кривизны и эллиптичности на рассеивание ширин досок.
Исследования по уменьшению числа ширин досок, выполненные в ЦНИИМОДе, показывают, что их сокращение достигают: при распиловке бревен ограниченного диапазона диаметров, при распиловке бревен 1 одного диаметра по качеству (порокам формы). Наибольшего снижения числа одновременно вырабатываемых ширин боковых досок достигают при поочередной выпиловке досок смежных ширин и уменьшении диапазона диаметров одновременно распиливаемых бревен. При этом количество ширин не должно превышать семи. Распределение показывает, что наиболее встречающимися являются доски шириной 75, 100, 115, 125,150,175, 5 мм. При распиловке еловых бревен на экспортные пиломатериалы преобладают доски шириной 100,125,150,175,200 мм.
По результатам В.Г.Турушева [1.21] наибольшее снижение объемного выхода еловых пиломатериалов при равномерном увеличении градации досок по длине, наблюдается в том случае, когда длина бревен кратна величине градации. Уменьшение выхода на 1,0-1,5% происходит за счет укорочения боковых досок. При выпиловке досок длиной до 4,2 м с равномерной градацией уменьшение объемного выхода составляет в среднем 0,4%.
А.М.Тюкавиным [1.22] предлагается введение в операцию торцовки комлевого конца пиломатериалов рациональных интервалов базирования. Это должно привести к минимальной средней длине отрезков и уменьшению потерь выхода продукции в операции торцовки досок в 2,2 раза по сравнению с равномерными. Интервалы базирования для пиломатериалов приоритетного сорта позволяют увеличить содержание досок (в условиях "Северолесоэкспорт") на 0,3%. Возникающее при этом сокращение объемного выхода продукции за счет пиломатериалов других сортов компенсируется улучшением посортного выхода.
Зональное деление еловых древостоев Севера
Для математического описания эмпирически полученного числа экземпляров, например ели, в разновозрастных лесах используют семейство кривых распределения соответственно ступеням толщины. Так автор работы [2.67] указывает, что в пределах четырех поколений с шагом 40 лет согласно вычисленным величинам критерия Пирсона, -.все семейство состоит из кривых типа I. Распределение деревьев по естественным ступеням толщины по данным ряда авторов приведено на рис. 2.2 2.41]. Общая формула распределения имеет вид [2.683 где q 1 параметр, зависящий от возраста поколений. С увеличением возраста поколений диапазон изменения параметров: для первого от -1 до +1 , второго от +1 до 0; общий размах распределения. Общий размах не превосходит максимального диаметра стволов в древостое Dmax.
Изменение среднего диаметра по поколениям при нижнем пределе 121 год составляет ряд: 1 - 12,56 см; 2 - 15,84.; 3 - 19,8; 4 -20,40 см. Резюмируя полученные результаты по ряду работ следует, что воспроизводство структуры ельников происходит во всех Элементах в неизменном состоянии. К ним отнесены: 1 - непрерывность естественного возобновления ели; 2 - постепенность смены поколений ели; 3 - равный период развития наличных и прошлых поколений ели.
При анализе лесосырьевой базы Европейского Севера обращает на себя внимание специфика пород, относительно хорошее качество и полнодревесность ствола. Наиболее распространенная порода - ель имеет сравнительно небольшой возраст. В условиях притундровой полосы - большую длину ствола при малом сбеге и незначительных изменениях диаметра.
В работе [2.69] отмечалось, что распределение бревен по диаметрам подчиняется логарифмическому нормальному закону и описывается кривой Гаусса Работа ЦНИЙМОДа охватывает практически все регионы страны. Основываясь на данных лесной таксации можно предположить, что распределение пиловочных бревен по диаметрам, поступающих на предприятия регионов будет отличаться от указанного в упомянутой работе. При этом не оспаривается правомерность использования известных закономерностей распределения характеристик пиловочника при укрупненной оценке и решении различного плана задач на уровне отрасли. При более узком рассмотрении вопросов комплексного использования пиловочного сырья оно уже, как правило, не является характерным составу сырья, например, поступающему на одно или группу предприятий. В результате при проведении выборочных исследований справедливы свои, соответствующие определенным условиям, зависимости.
На примере предприятий рассматриваемого круга установлено следующее. По виду гистограмм распределение пиловочных бревен по диметрам, поступивших за последние 20 лет, априори может подчиняться закону Пирсона с уравнением кривой
Таким образом, распределение пиловочных бревен по диаметрам тесно связано с таксационными показателями древоетоев - лееосырь-евой базой, и ее региональной принадлежностью. Такой подход должен обеспечить высокую достоверность результатов, полученных с учетом закономерностей распределния характеристик поступающих на предприятия бревен.
Очевидно, что длина бревна, формируемая под определенные условия (для перевозки авто- или железнодорожным транспортом) не может быть связана с таксационным строением древоетоев.
Если изменение выхода пиломатериалов при распиловке бревен диаметрами 14... 40 см достигает 30 % [2.713, увеличение длины бревна с 4 до 6,1 м влечет повышение выхода на 1,5. ..3,8 % [2. 721. Таким образом, длина бревен не является доминирующим фактором изменения выхода пиломатериалов, но количественного. С уменьшением длины бревна сокращается время распиловки, интенсивность выхода досок возрастает. Оценка вероятности совпадения периодов раскроя только коротких бревен может быть произведена на основании учета доли содержания таких бревен. Поскольку формирование длины бревна осуществляется из транспортных условий, - то установление закона распределения бревен по длинам не несет практической ценности. Удобнее использовать вероятностную характеристику встречаемости бревен разных длин.
Вид распределения бревен по длинам зависит от числа интервалов разбиения. Поскольку при формировании опытной партии или при учете трудно подобрать репрезентативную группу бревен одной длины, задаются интервалами длин. В работе [2. 70] отмечается, что распределение бревен по длинам характеризуется полимодальным законом распределения (на примере ДДК N 3 г.Архангельска.). Однако, соотношения абсцисс и ординат характерных точек., соответствующих средним интервалов длин 3, 9; 5,1; 6,0 м, по нашим наблюдениям, не характеризуют в целом сырьевую базу предприятий АО "Северолесоэкепорт". Наиболее близким к наблюденным нами являются данные, полученные Д. В. Ивановым. Как следует из графика относительных частот, средней длине бревна по предприятиям планируемого круга соответствует вогнутость кривой распределения. Это справедливо, поскольку средняя длина выражается делением слагаемых, а по виду распределения этой длине соответствует своя фактическая частота. Процентное соотношение групп длин распиливаемых бревен от диаметра бревна по результатам замеров приведено в табл. П. 2. 5 и IL 2. 6. Гистограмма распределения бревен по длинам приведена на рис. 2. 4.
Переработка бревен с учетом кривых, ориентированных кривизной вниз
Результаты расчетов рациональных поставов по модели для осе-iiOi o способа распиловки бревен сравнивали по следующим трем спо-сооам ориентации бруса: по оси - вариант 1; по канту - вариант ; при оптимальном - вариант 3. Способы 1-3 характеризуют различные варианты установки перед раскроем при осевом способе ориентации бревен по поставу инструмента лесопильного станка. Результаты расчетов рациональных поставов приведены соответственно в табл. П.4.1. - П.4.3.
Указанные способы распиловки бревен, отличающиеся различным положением бруса перед раскроем, являются основными и граничными, что важно для определения оптимальных условий формирования поставов. За базу при сравнении принимали традиционный осевой способ распиловки бревен и брусьев. Сопоставление указанных способов проводили в направлениях сокращения многоразмерности партий пило- материашв, ориентации на выработку экспортных пиломатериалов стандартных размеров, возможности оптимизации плана раскроя и расчета рациональных поставов.
Второй способ распиловки (по канту бруса) является гранич-. ным, исходя из условий необходимости выпиловки из зоны бруса толстых досок. Он характеризует крайнее положение толстых досок в поставе (рис. 4.11), т.е. предел возможного смещения продольной оси бруса относительно центра постава пил (или центральных пил). 8 литературе он рассматривается при раскрое низкокачественного крупномерного сырья, например, И.И.Сидоровым [4.2]. В настоящей работе данный способ помимо принятых ограничений рассмотрен нами в раку pet повышения выхода экспортных пиломатериалов. Так, показано., что применение способа позволит уменьшить количество партий пиломатериалов различных сечений и длин. Как следует из таблицы П. 4.2., при распиловке бревен ряда смежных диаметров достигается получение пиломатериалов одинаковых линейных параметров. Это позволит не только снизить многоразмерность пиломатериалов, выпускаемых цехом, потоком, линией, но и уменьшить себестоимость обра- ч ботки пиломатериалов на последующих операциях технологического процесса (сортирование и т.п.). Получение таких результатов возможно и при переработке на разных потоках (линиях), бревен разными поставами. Помимо приведенных преимуществ в некоторых случаях достигается увеличение количества досок, получение полного пакета толстых досок, часть тонких досок уширяется и одновременно часть из них удлиняется.
Параметры пиловочного сырья являются случайными факторами. Ввиду сложной макрогеометрии бревна установка его перед станком без погрешностей практически невозможна. К этому прибавляются трудности из-за погрешностей изготовления и наладки, перекрывающиеся большими вибрациями, обусловлеными характером оборудования Й резания ( проходная переработка, высокие скорости подачи и резания, направленность инерционных масс и др.) Все это определяет. необходимость предусмотрения в поставе с обеих сторон пакета толстых досок установку тонких досок (обзол на толстых досках недопустим, поскольку резко снижает их цену, введение же в технологическую цепочку операцию торцовки толстых досок экономически недопустимо) .
Результаты расчетов рациональных поставов при этом способе остановки бруса, наглядно иллюстрируют отличия от осевого, и могут быть использованы для разработки требований к базированию брусьев перед раскроем.
В практике лесопиления принято считать, что требования к установке предмета обработки перед раскроем определяются средним квадратичным отклонением погрешностей установки (ориентирования). Однако, как следует из сопоставления приведенных способов распиловки бруса, можно подойти к этому вопросу иначе. Смещение бруса по горизонтали относительно постава пил приводит не только к га-рантированому снижению выхода, но и в некоторых случаях влияет на его повышение. Рассеивание ширин пиломатериалов связано с положением толстых досок в поставе в пределах пропиленных пластей бруса и влияет на выход постольку, поскольку меняется координата толстых досок. Поэтому второй рассмотреный способ распиловки бруса ( по канту ) является пограничным при определении погрешностей установки бруса перед раскроем его по оси постава пил.
В связи с изложенным были определены оптимальные условия базирования бруса перед раскроем. В табл. П.4.3 сведены результаты расчета рационадьных ( оптимальных ) поставов на распиловку бревен по оси и оптимальной ориентации бруса перед раскроем (со смещением) . Поскольку дифференцированное базирование каждого отдельного бруса по ряду характеристик привело бы к резкому сокращению производительности, для реализации способа был выделен диапазон оптимальных смещений канта толстых досок, при котором достигается повышение выхода, как по вариантам 1 и 3, так и по вариантам 2 и 3. Таким образом, в таблицу сведены не только те результаты раскроя, которые являются и оптимальными, но и соответствующие нескольким способам. Такой подход позволяет исключить индивидуальный расі срой каждого бревна по оптимальному плану, и перейти к батарейной распиловке брусьев некоторой заданной партии. Это в полной мере отвечает требованиям массового производства пиломатериалов.
В табл. 4.1 приведены оптимальные смещения пакета толстых досок в пределах пласти бруса (при получении одинаковых выходов по вариантам 3 и і или 3 и 2 предпочтение отдавали одному из них).
Проведенный анализ способов распиловки брусьев при осевой ориентации бревен перед раскроем дает возможность определять предпочтительные параметры поставов, в первую очередь, толщину толстой доски и толщину бруса, при которых достигается повышение выхода толстых и широких досок. Сопоставлении результатов позволяет сформулировать требования к раскрою брусьев на экспортные пиломатериалы.
Результаты определения условий эффективной распиловки бревен и брусьев
При небольших отношениях a/R (например, 1,2) увеличение ширины открытой пласти влияет на повышение скачкообразно. Причем, если группировка по наименьшей открытой пласти 100 мм (al) имеет максимум в точках - 0,5R и R при незначительном перепаде, то с увеличением а наблюдается картина искривления оси бруса в большинстве случаев (а2). Другой граничный случай при отношении a/R = 2 характеризуется тремя максимумами кривой распределения (с!) и в основе своей повторяет диаграмму а2 с увеличением а (с2).
Наиболее сконцентрированной по плотности относительно значения 0 является распределение при al и а, приведенное на рис. 7.6, в. Оно характеризует большинство выявленных случаев. Отношение а = 1,5 показывает, что в данном рассмотрении анализу подвергали практически все выпиленные брусья, т.е. весь диапазон диаметров перерабатываемых бревен. Изменению деформационной способности брусьев способствует в этом случае оба параметра а и R. При одновременном изменении параметров независимо от направленности кривые распределения не имеют минимума.
Все операции технологического процесса получения пиломатериалов включают выбор вариантов базирования ПО и раскроя последних на пилопродукцию, от качества выполнения которых существенно зависит уровень издержек на ее производство в целом. При этом применение различных способов ориентации ПО в лесопилении связано с заинтересованностью производителей в наиболее полном использовании древесины пиловочника для производства пиломатериалов и объективно обуславливает ее рациональное расходование.
Получение большей прибыли в зарубежной практике определило уже ставший традиционным подход постоянного совершенствования и разработки современных базирующих устройств, управляемых микропроцессорами. Способы ориентации бревен и брусьев, реализуемые при помощи ЭВМ, охватывают широкий круг вариантов С7.8-7.10]. Увеличение выхода пиломатериалов может достигать при этом 5% [7.63. Отечественный опыт создания базирующих устройств в основном касается реализации осевой ориентации бревен по поставу инструмента лесопильного станка. Отчасти сдерживание внедрения гаммы базирующих устройств следует связывать со сформировавшимся мнением о негативном влиянии ориентации бревен на получение качественных пиломатериалов ввиду перерезания волокон древесины. В этом направлении выполнен ряд работ [7.11,7.12,5.13. Результаты, полученные при визуальном контроле досок, выпиленных с большим или меньшим углом перерезания волокон, не отличаются от нормативных данных. Угол перерезания волокон измеряется несколькими минутами и существенного влияния на перераспределение внутренних напряжений, вызывающих искривление досок, по-видимому, не оказывает. Опытная проверка изменения физико-механических свойств подтверждает, что качество выпиливаемых пиломатериалов при распиловке брусьев параллельно образующей не ухудшается [5.13. Опыты проводились на консольно защемленных центральных досках сечением 40 х 100 х 4000 мм. Сравнение прогиба на изгиб проводилось в отношении досок, выпиленных при традиционном способе распиловки. Сравнению подлежали результаты замеров досок, выпиленных из аналогичных зон бревна. Поскольку дисперсный критерий CF3 не достиг 5%. уровня значимости, сделан вывод о несущественной разнице наблюденных значений точности измерений в параллельных массивах.Помимо этого ряд исследователеи отмечают повышение доли качественных пиломатериалов при реализации способов ориентации, отличающихся от осевого. Это справедливо, поскольку, например, при ориентации бревен по образующей часть пиломатериалов выпиливается параллельно волокнам древесины (или годичным слоям). При осевом способе распиловки бревен перерезание волокон имеет место во всех случаях.
Для реализации различных способов ориентации бревен применяют разнообразные технические средства - поддерживающие тележки, конвейеры и рольганги. Все многообразие видов и моделей базирующих устройств имееют один наиболее важный сходный параметр исполнения рабочего органа, адекватный характерной форме бревна. В большей части применяют V-образные направляющие и захваты, седловидные ролики. В меньшей степени используют устройства, требуемое положение ПО в которых задается выставкой упоров базирующих элементов. V-образные направляющие имеют большое число разновидностей по углу выреза и радиусу его округления гЕ, с зазором между бревном и вершиной выреза в пределах различного угла охвата и без указанного зазора. Связь углов охвата и выреза (рис. 7.7) для V-образных направляющих всех видов определяется тригонометрическими соотношениями sin р = cos у, в + ї = тс. Чем больше угол выреза, тем меньше угол охвата образующей поперечного сечения бревна V-образными направляющими. Наибольшая глубина выреза при гЕ= 0