Обоснование системы лесосечных машин для сортиментного метода лесозаготовок: на примере предприятий Центрального федерального округа РФ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, кандидат технических наук Матросов, Алексей Васильевич

• Матросов, Алексей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Матросов, Алексей Васильевич

Введение.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Состояние и перспективы развития лесозаготовок в Российской Федерации.

1.2. Обзор отечественного и зарубежного опыта применения сорти-ментного метода заготовки.

1.3. Обзор предшествующих исследований.

1.4. Цель, задачи и методы исследований.

Выводы.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОПЕРАЦИЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СОРТИМЕНТНОЙ

ЗАГОТОВКИ И СИСТЕМ ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН.

2.1. Особенности лесозаготовок в Центральном федеральном округе

2.2. Анализ и классификация систем лесосечных работ при сортиментном методе лесозаготовок. Определение объектов исследования.

2.3. Систематизация факторов и процессов, влияющих на технологию и выбор системы машин на рубках.

2.4. Общая математическая постановка задачи оптимизации выбора и оценки систем лесосечных машин.

Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЕСОЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕСОСЕК.

3.1 Цели и задачи экспериментальных исследований.

3.2. Методика проведения и обработки экспериментальных данных.

3.3. Лесоэксплуатационные параметры лесосек и их анализ.

Выводы.

ГЛАВА 4. КОМПЛЕКС МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЛЕСОСЕЧНЫХ РАБОТ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ВЫБОРА И ОЦЕНКИ СИСТЕМЫ ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН.

4.1. Общая структура комплекса математических моделей.

4.2. Методический подход к моделированию процессов лесосечных работ.

4.3. Математическое описание процессов заготовки древесины системами лесосечных машин.

4.3.1. Математическое описание процесса разработки лесосек бензопилами.

4.3.2. Математическое описание процесса освоения лесосек харвестером.

4.3.3. Математическое описание процесса освоения лесосек навесным процессором.

4.3.4.Математическое описание процесса освоения лесосек форвар дером.

4.3.5. Математическое описание процесса освоения лесосек колесным трактором с лесовозным прицепом.

4.3.6. Математическое описание процесса освоения лесосек трелёвочным трактором с чокерным оборудованием.

4.4. Разработка комплекса программ имитационного моделирования технологических процессов при разработке лесосек.

4.4.1. Общий алгоритм имитационной модели работы системы лесосечных машин.

4.4.2. Математическая модель лесосечного фонда, используемая при имитации функционирования систем лесосечных машин

4.4.3. Алгоритм и модуль программы разработки лесосек системой лесосечных машин.

4.4.4. Аналитические модели лесотранспортной системы при вывозке сортиментов.

4.4.5. Оценка сходимости параметров, полученных в результате моделирования.

4.5. Практическая реализация имитационных моделей.

Выводы.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПОСТАНОВКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

5.1. Оценка влияния концентрации лесосек на производительность системы лесосечных машин.

5.2. Оценка влияния объема заготовки на выбор системы лесосечных машин.

5.3. Влияние соотношения видов рубок главного и промежуточного пользования на работу систем лесосечных машин.

5.4. Оценка применения систем лесосечных машин с учетом воздействия на лесную среду.

5.5. Практическая реализация теоретических положений по выбору и оценки систем лесосечных машин.

Выводы.

ГЛАВА 6. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВАРИАНТОВ СИСТЕМ ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН ДЛЯ СОРТИМЕНТНОЙ ЗАГОТОВКИ.

6.1. Экономико-математические модели показателей эффективности систем лесосечных машин.

6.1.1. Расчет себестоимости на заготовку круглых лесоматериалов

6.2. Экономическая оценка вариантов систем лесосечных машин.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование системы лесосечных машин для сортиментного метода лесозаготовок: на примере предприятий Центрального федерального округа РФ»

Рыночные реформы и структурные изменения лесопромышленного комплекса усиливают экономическую заинтересованность предприятий в выборе и внедрении наиболее эффективных технологий и систем машин.

В условиях экономических реформ структура лесопромышленного комплекса претерпела существенные изменения. Сегодня в России лесозаготовительной деятельностью занимаются более 11,0 тысяч различных предприятий и организаций, в том числе крупных и средних - только 1,1 тысяч [57]. Средний объем заготовки и вывозки древесины многих предприятий, расположенных в Центральном федеральном округа составляет не более 8-12 тыс. м3, что позволяет их характеризовать как малообъёмные предприятия. Их развитию способствовало разрушение системы управления и ускоренная приватизации предприятий отрасли, снижение объёмов рубок и недоиспользование расчетной лесосеки, неустойчивое производственно-техническое и экономическое состояние большинства лесозаготовительных предприятий, кризис лесного машиностроения и др.

Истощение лесфонда в европейской части России, снижение площади отводимых в рубку лесосек и их разобщенность, сокращение объемов сплошных и расширение выборочных рубок привело к широкому применению на предприятиях региона сортиментной технологии лесозаготовок, как наиболее полно отвечающей лесоводственным, экологическим и экономическим требованиям. Большой интерес к сортиментному методу работ и современным лесозаготовительным машинам, имеют предприятия с малыми объемами заготовки, где эксплуатация нижних лесоскладов нецелесообразно.

Номенклатура лесосечных машин, которые находят применение на рубках, достаточно широка и постоянно увеличивается. Различные системы машин для выполнения рубок имеют разную производительность, заготовленная древесина может иметь разную себестоимость и техника не одинаково влияет на окружающую среду.

Как показывает практика эксплуатации лесосечных машин и систем машин, функционирование их в разнообразных природных условиях с резко и значительно меняющимися характеристиками, разная степень надежности машин, техническая политика предприятия заставляют исследовать вопрос выбора технологических процессов и систем машин для предприятий, ведущих малообъемные лесозаготовки.

Анализ производственной и научной литературы показал, что* не все вопросы, касающиеся применения систем машин при заготовке сортиментов, изучены достаточно полно. Большое разнообразие выпускаемой техники для-сортиментной технологии допускает оптимизацию областей эффективного их применения и состава в зависимости от лесорастительных, природно-климатических, грунтовых и иных условий, с учетом ограничений накладываемых лесоводственными, технологическими и иными требованиями.

Учитывая важность и актуальность этого вопроса особенно для небольших предприятий, в диссертации' разработана методика, выбора машин, их численности и определения некоторых технологических, технико-экономических показателей функционирования систем лесосечных машин при малообъемных лесозаготовках в условиях Центрального федерального округа.

Для определения'оптимального состава системы лесосечных машин, а также технологии её использования, разработаны математические модели технологического процесса основных операций лесосечных работ на основе имитации — с учетом стохастического характера природно-производственных условий и потоков сырья. Имитационная модель технологического процесса лесосечных работ позволяет с достаточно высокой точностью определить эксплуатационные характеристики, машин в системе и, прежде всего, их производительность, что важно при проведении, технико-экономической оценки технологических и организационных решений. Помочь, лесозаготовителю подобрать технику для проведения рубок поможет разработанный комплекс программ, который просчитает имеющиеся варианты и выдаст результаты в понятном и удобном для анализа виде.

Выполненные расчеты по разработанным алгоритмам и программам позволили также сделать обобщения и дать практические рекомендации по формированию и использованию систем лесосечных машин в условиях малых размеров лесосек и их концентрации, определить области эффективного применения наиболее перспективных на практике систем лесосечных машин, работ по технологиям, обеспечивающим вывозку с лесосеки сортиментов. Рекомендации подтверждены статистическим материалом.

Опыт внедрения разработанных рекомендаций имеется на предприятиях Московской, Владимирской и Вологодской областях и дает положительный эффект.

В настоящей диссертационной работе автором выносятся на защиту следующие основные положения:

- установленные законы, распределения- лесоэксплуатационных параметров лесосек, отводимых в рубку лесохозяйственными предприятиями Центрального федерального округа РФ, на основе анализа реальных лесосек;

- применение теории массового обслуживания в виде многофазной СМО для определения параметров работы машин, входящих в систему, количества машин на каждой операции и связи между машинами;

- применение имитационного моделирования для обоснованного выбора системы лесосечных машин при сортиментном методе лесозаготовок;

- исследования, работы различных систем лесосечных машин для сортиментного метода заготовки на имитационных моделях в различных природно-производственных условиях;

- программный комплекс по выбору системы лесосечных машин на предприятиях с малым объемом лесозаготовок.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях Московского государственного университета леса за период 2000-2006 гг., на симпозиуме в г. Пенза и научно-технической конференции в г. Вологда в рамках выставки - ярмарки «Российский лес» в 2006 г.

Результаты исследований были использованы в совершенствовании лесосечных работ на предприятии ООО «Еденьга» Вологодской области, ОАО «Гусевской ЛПХ» и ГУ «Гусевской J1X» Владимирской области, в учебном процессе МГУЛ, а также в научных отчетах кафедры технологии и оборудования лесопромышленного производства.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Заключение диссертации по теме «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства», Матросов, Алексей Васильевич

Выводы

1. Приведенные в работе исследования дают возможность на стадии экономического обоснования выбрать систему машин при сортиментном методе лесозаготовок

2. Результаты проведенных исследований систем лесосечных машин для заготовки сортиментов показали, что в определенных условиях перспективными системами лесосечных машин при малообъемных лесозаготовках являются,системы, сформированные на основе модульной компоновки.

176

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ существующих технологических процессов заготовки сортиментов и применяемых систем лесосечных машин позволил классифицировать системы на три группы: на базе специальных лесных машин и оборудования; на базе модульных машин и оборудования; на базе специальных средств малой механизации.

2. Исследования лесоэксплуатационных параметров лесосек отдельных лесохозяйственных предприятий ЦФО позволили установить законы их распределения по площади и запасам по различным видам рубок и использовать их в разработке имитационных моделей. Распределения площади лесосек, запасов подчиняется логнормальному или нормальному законам распределения.

3. Разработанный алгоритм и имитационные модели работы системы лесосечных машин для заготовки сортиментов, как многофазной СМО, позволяют проводить исследования процессов сортиментного метода заготовки в зависимости от природных и производственных факторов, оптимизировать параметры исследуемых систем машин и характеристики работы различных машин в системе.

4. Реализация имитационных моделей осуществлена в виде компьютерной программы в среде программирования Visual Basic. Разработанная программа обладает свойством универсальности, так как можно менять все нормативные данные от характеристик машин до цен на лесозаготовительные машины и т.д., вводить новые конкретные марки лесосечных машин.

5. Влияние запасов древесины, площади лесосек, концентрации лесосек и влияние на производительность систем машин учтено с помощью коэффициента перебазирования. Полученные регрессионные зависимости коэффициента перебазирования, в результате проведения экспериментов на имитационных моделях, могут быть использованы при планировании лесозаготовительного производства на небольших предприятиях, а также для оценки целесообразности концентрации лесосечных работ и организации труда в текущем планировании.

Для всех вариантов систем лесосечных машин в диапазоне варьирования-факторов: площади лесосек - 1.3 га; запасе леса - 140.260

3 2 м /га и плотности поля лесосек Я = 0,1(1/км ) влияние на коэффициент перебазирования значительно, особенно при малом запасе древесины на лесосеке. При увеличении значений площади лесосек и запаса в диапазонах о

3.5 га и 140.260 м /га влияние не так существенно. При разбросанности Л лесосек Я = 0,01.0,05(1/км ), т.е. увеличении расстояния переезда значения коэффициента перебазирования снижаются в 1,1. 1,3 раза.

6. Результаты проведенных исследований вариантов систем лесосечных машин для заготовки сортиментов показали, что существенное влияние оказывают годовой объём заготовки и соотношение в общем объеме заготовки различных видов рубок. Оценка влияния объема заготовки показывает, что- полная загрузка системы машин на сплошных рубках наступает при годовом объеме заготовки: для> варианта CJIM1 в пределах 17. 18 тыс. м3; варианта CJIM2 или СЛМЗ или CJIM4 в пределах 8,5.10

3 3 тыс. м ; для варианта CJIM5 в пределах 3,2.4 тыс. м ; для варианта GJIM6 в пределах 23,5.28 тыс. м3 (при односменном режиме работы). При увеличении доли рубок ухода в общем объёме производительность систем лесосечных машин снижается в 1,4.2,5 раза.

7. При выборе системы машин при заготовке сортиментов для предприятий ЦФО существенное значение имеют объемы и виды рубок, природно-производственные условия работы предприятия. л

При годовом объёме заготовки до 3,2 тыс. м эффективно использование системы машин, сформированной на основе бензопил и легкого колесного трактора(CJIM5) с чокерной оснасткой; в.диапазоне 3,2.9,3 тыс. м3 эффективно применение" системы, машин модульной компоновки (СЛМ2), с ней конкурирует традиционная система машин на основе бензопил и гусеничного чокерного трелевочного трактора (CJIM4) или CJIM5; при объемах свыше 12 тыс. м3 рациональнее использование системы на основе бензопил и форвардера (CJIM1) или модульной компоновки (СЛМ2).

Применение машинного комплекса возможно при объемах свыше 35.40 тыс.м3.

Увеличение в общем объёме заготовки доли от рубок ухода приводит к изменению границ эффективности систем машин. В этом случае, в диапазоне 3,7.7,9 тыс. м3 рациональнее использовать системы машин модульной компоновки (CJIM2 и CJ1M3), как более предназначенные к выполнению рубок ухода, или традиционную систему машин (CJIM4), а также л на базе легкого колесного трактора CJIM5; при 7,9. 10 тыс. м CJIM2; при 10.22 тыс. м3 конкурируют система модульной компоновки (CJIM2) и на основе бензопил и форвард ера (CJIM1).

8. На основе данных исследований были разработаны методические рекомендации по выбору системы лесосечных машин. Положения методики объединили в себе четыре этапа. Данная методика и программный комплекс позволят лесозаготовителю правильно подобрать систему машин при заготовке сортиментов.

9. Разработанная компьютерная программа рекомендуется к использованию в технологических расчетах для технологии лесосечных работ при заготовке сортиментов на сплошных и несплошных рубках.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Матросов, Алексей Васильевич, 2008 год

1. Александров, В. А. Моделирование технологических процессов лесных машин Текст. / В. А. Александров. М.: Экология, 1995.-256 с.

2. Алябьев, В. И. Основы математического моделирования лесопромышленных систем Текст.: учебное пособие / В. И. Алябьев. М.:ЦНИИМЭ, 1990. - 398 с.

3. Анучин, Н. П. Сортиментные и товарные таблицы: справочник Текст. :7-е изд./ Н. П. Анучин. М.: Лесная промышленность, 1981. - 595 с.

4. Антосов, А.А. К вопросу выбора оптимальных лесосечных машин Текст. /А. А. Ан-тосов, Г. JI. Долговых, И. JL Дигмелишвили // Комплексная механизация лесозаготовок. 1982. - С. 5-7. (Сборник научн. тр. ЦНИИМЭ)

5. Атрохин, В. Г. Рубки ухода и промежуточное лесопользование Текст. / В. Г. Атро-хин, И. К. Иевинь. М.: Агропромиздат, 1985. - 255 с.

6. Барановский, В. А. Системы машин для лесозаготовок Текст. / В. А. Барановский, Р. М. Некрасов. М.: Лесная промышленность, 1977. - 248 с.

7. Брейтер, В. С. Статистическое моделирование эксплуатационных параметров деревьев в различных районах страны. Перспективная технология и организация лесозаготовительного производства Текст. / В. С. Брейтер: Науч. труды ЦНИИМЭ. — 1977.-С. 38-44.

8. Большаков Б. М. Направление развития техники и технологии лесозаготовительного производства Текст. // Лесная промышленность. 1998. - №3. - С. 3-5

9. Большаков, Б. М. Некоторые аспекты сортиментной технологии Текст. / Б.М.Большаков // Лесн. пром-сть. 1997.-№ 1. - С 16-19.

10. Боровиков В. Statistica: искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов Текст.- СПб.: Питер, 2001.- 656 с.

11. Бусленко, Н. П. Лекции по теории сложных систем Текст./Н. П. Бусленко, В. В. Калашников, И. Н. Коваленко. М.: Советское радио, 1973. - 440 с.

12. Вентцель, Е. С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология Текст.: 2-е изд./ Е. С. Венцель. -М.: Наука, 1988. 208 с.

13. Виногоров, Г. К. Математическая модель лесосеки Текст. / Г.К. Виногоров, В.З. Габриель, Н.И. Гедз // Технология и комплексная механизация лесосечных работ. /15