Совершенствование теории раскроя древесного сырья на пилопродукцию заданных размеров и качества тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, доктор технических наук Шалаев, В. С

• Шалаев, В. С
• доктор технических наук
• 1995

Оглавление диссертации доктор технических наук Шалаев, В. С

ВВЕДЕНИЕ.

I. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ТЕОРИИ РАСКРОЯ ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ.

2. РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЯ ОПТИМАЛЬНОСТИ ПОСТАВА И ПЛАНА РАСКРОЯ

0 2Л. Постановка задачи

2.2. Система учета и определение объема бревен. \ 2.3. Критерий оптимальности для досок, вырабатываемых \ в пределах пласти бруса ' 2.4. Критерий оптимальности для боковых досок

2.5. Критерий оптимальности для необрезных досок

2.6. Выводы.

3. РАЗВИТИЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ДОСОК

ПРИ РАСКРОЕ БРЕВЕН.

3.1. Определение оптимальных размеров обрезных досок при раскрое бревен парабояовдной формы ф 3.2. Определение оптимальных размеров трапециевидных досок.

3.3. Определение оптимальных размеров обрезных досок при раскрое бревен конусной формы.

3.4. Оптимизация размеров бруса при составлении поставов и плана раскроя бревен на пиломатериалы

3.5. Оптимизация толщины обрезных досок, вырабатываемых из необрезных

З.5.Х. Постановка задачи.

3.5.2. Оптимизация толщины обрезных досок при индивидуальном способе раскроя бревен

3.5.3. Оптимизация толщины обрезных досок при массовом способе раскроя бревен

3.6, Выводы.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТЕЙ ОБЪЕМНОГО ВЫХОДА ПИЛОМАТЕРИАЛОВ ОТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСПИЛИВАЕМЫХ

БРЕВЕН.

4.1. Определение и анализ зависимости объемного выхода обрезных пиломатериалов оптимальных размеров от диаметра распиливаемых бревен в вершинном торце

4.2. Определение и анализ зависимости объемного выхода обрезных пиломатериалов оптимальных размеров от длины распиливаемых бревен.«.

4.3. Определение и анализ зависимости объемного выхода обрезных пиломатериалов оптимальных размеров от диаметра распиливаемых бревен в комлевом тоще . 107 4.4. Выводы. б, ОСОБЕННОСТИ КАЧЕСТВА ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ И Ш0МАТ2РИМ0В

5.1. Сортообразующие пороки и их встречаемость в древесном сырье и пиломатериалах.*.

5.2. Характеристики сучковатости древесного сырья

5.2*1. Анализ известных характеристик сучковатости древесного сырья

5.2.2. Характеристика елового пиловочного сырья

5.2.3. Установление закономерности распределения еловых бревен по сучкам

5.2.4. Установление закономерности концентрации сучков в еловых бревнах

5.2.5. Установление закономерности распределения сучков еловых бревен.

5.3. Выводы .*.

6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ С0ВОТЕНСТВ0ВШЯ ТЕОРИЙ раскроя дршеного сырья в целях уяуштт технологии шояродщщ. ж

6.1. Метод сортировки бревен в соответствии с поставами на распиловку

6.1.1. Сортировка бревен по диаметру в вершинном тоще.

6.1.2. Сортировка бревен по длине и диаметру в комлевом торце

6.1.3. Сортировка бревен на группы качества

6.2. Использование интегрального показателя объемного выхода пиломатериалов при составлении и расчете плана раскроя сырья *.

6.3. Составление оптимального плана раскроя бревен на необрезные пиломатериалы

6.4. Распиловка бревен с их ориентацией по сучкам

6.5. Оптимизация раскроя хлыстов на заготовки.

6.6. Оптимизация раскроя пиломатериалов на заготовки

6.7. Выводы.

10 7. НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ЛЕСОШЛЬНО ДЕРЕВОСБРАБАТЫВАВДЕГО ПРОИЗВОДСТВА.

Ifc 7.1. Краткая характеристика существующего состояния лесопильно-деревообрабатывающего производства . 291 7.2. Направления совершенствования технологии лесопильно-деревообрабатывающего производства

ЗАКЛШЕНИЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование теории раскроя древесного сырья на пилопродукцию заданных размеров и качества»

Актуальность темы« Наша страна традиционно известна своими разработками теории раскроя древесного сырья. &це в 30-х годах были опубликованы фундаментальные работы* положившие начало, ос* нову теории раскроя пиловочного сырья. За последующие 20-25 лет * появился целый ряд исследований, посвященных различным аспектам теории и развивающих ее. В 60-70-х годах интерес к теоретическим основам раскроя древесины в лесопилении несколько снизился. Исследования носили эмпирический и скорее прикладной характер. Последние годы можно характеризовать рядом явлений, имеющих существенное влияние на развитие лесопильно-деревообрабатывающей отрасли.

Первое. В стране вырабатывалось около 100 млн.м3 пиломатериалов в год, в том числе до 8 млн.м3 ежегодно экспортных. В связи с первостепенностью значения экспортного лесопиления была достаточно отработана и на ведущих лесопильных предприятиях реализована в первую очередь технология экспортных пиломатериалов. Особенностью этой технологии являетея то, что пиломатериалы здесь являются конечной товарной продукцией, должны иметь товарный вид, т.е. полностью обработаны и готовы для дальнейшей переработки.

Вместе с тем, экспортных пиломатериалов вырабатывается ме-^ нее 10% общего их объема. Технология же пиломатериалов внутреннего потребления естественно должна иметь не только свои особенности, но и коренные отличия, как по совокупности производственных операций, так и по составу используемого оборудования» Лесопильное производство здесь можно рассматривать лишь как участок единого процесса переработки древесины в готовую продукцию, не только в масштабах какого-либо предприятия, объединения, но и отрасли, даже страны в целом*

В связи с этим весьма актуальной является задача разработки такой технологии пиломатериалов, которая учитывала бы масштабы и нужды нашей страны, использовала имеющиеся достижения науки и техники, дала бы возможность осуществить опережающий, приоритетный на мировом уровне шаг в развитии отечественного лесопиления.

Кроме того, в последние несколько лет появились прогрессивные технологические и технические разработки для отдельных участков лесопиления, которые позволяют существенно изменить всю технологическую цепочку. Эти разработки касаются и участков подготовки сырья к распиловке, и лесопильного цеха, и участков за ле-соцехом. й эти решения накладывают свой отпечаток, неизбежно приводят к пересмотру традиционных положений теории раскроя древесного сырья.

Второе. В лесопильно-деревообрабатывающих отраслях, как в нашей стране, так и за рубежом, основной составляющей себестоимости продукции являются затраты на сырье. Несмотря на все увеличивающийся при этом объем капиталовложений, показатель удельного веса затрат на сырье в себестоимости продукции лесопиления и деревообработки не имеет тенденции к снижению* При этом условия современного лесопиления практически во всех странах характеризуются возрастающими трудностями с обеспечением сырьевыми ресурсами, ухудшающимися размерно-качественными характеристиками распиливаемого сырья* В нашей стране, особенно в лесах Европейской части, наблюдается процесс смены пород, что ухудшает не только размерно-качественные характеристики, но и породный состав перерабатываемого сырья. Эти обстоятельства вынуждают с большей внимательностью отнестись к использованию лесосырьевых ресурсов и также приводят к необходимости усовершенствования теории раскроя древесного сырья.

Третье. Интенсивное развитие вычислительной техники, все более широкое ее использование как в производственном процессе» так и в обеспечении научных исследований существенно расширяет наши возможности в теоретических исследованиях; расширяет границы применения современного математического аппарата, позволяющего дать ответ на задачи, не имеющие ранее достаточно точных решений; улучшает перспективы уточнения и реализации различных гипотез и аспектов, в том числе в области проблем теории раскроя древесного сырья, в производстве хшлопродукции заданных размеров и качества.

Таким образом, в первую очередь, в связи с вышеизложеннымпредставляется актуальным процесс совершенствования теории раскроя древесного сырья в производстве пилопродукции.

Совершенствование теории раскроя древесного сырья соответствует научному направлению Московского государственного университета леса "Разработка новых технологических процессов механической и химической переработки древесины на базе гибких комплексных производств" и органично входит в проблему "Комплексное и рациональное использование лесных ресурсов".

Цель и задачи исследования. Основная цель исследования заключалась в совершенствовании теории раскроя древесного сырья на основе широкого использования математического аппарата и вычислительной техники. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи исследования: разработка современного критерия оптимальности поставов и плана раскроя; получение оптимальных решений для основных размерных параметров, необходимых в использовании выводов теории раскроя древесного сырья; разработка аналитических решений по составлению и расчету плана раскроя пиловочного сырья на необрезные и обрезные пиломатериалы; разработка метода оптимальной сортировки пиловочных бревен в соответствии с поставами; выявление характеристик качества древесного сырья и зависимостей выхода пиломатериалов от основных характеристик распиливаемых бревен; разработка способа раскряжевки хлыстов в соответствии с заданными сечениями и качеством вырабатываемых пиломатериалов и загото-^ вок; разработка перспективных направлений использования особенностей размеров и качества древесного сырья в процессе его рациональной переработки на пилопродукцию; оптимизация раскроя пиломатериалов на заготовки; разработка направлений совершенствования технологии лесопильно-% деревообрабатывающего производства.

Научная новизна. Сформулирован и получен в аналитическом виде современный критерий оптимальности поставов и плана раскроя.

Получена система оптимальных решений для основных размерных параметров, необходимых в использовании выводов теории раскроя древесного сырья.

Разработаны аналитические решения по составлению и расчету плана раскроя пиловочного сырья на необрезные и обрезные пиломатериалы.

Разработан и сформулирован в аналитическом виде метод оптимальной сортировки пиловочных бревен в соответствии с постава-^ ми, а также способ раскряжевки хлыстов в соответствии с заданными сечениями и качеством вырабатываемых пиломатериалов и заготовок.

Получены зависимости выхода пиломатериалов от основных характеристик распиливаемых бревен. Получены характеристики качества древесного сырья и разработаны перспективные направления рациональной переработки его на пилопродукцию е учетом особенностей размеров и качества древесины.

Обоснована целесообразность использования принципа "смежных поставов" в процессе оптимизации раскроя пиломатериалов.

Разработаны направления совершенствования технологии лесопиль-но-деревообрабатывающих производств.

Практическая значимость. Полученные в исследовании результаты и рекомендации могут быть использованы и используются в лесопильно-деревообрабатывающих производствах, в усовершенствовании технологических процессов, при выполнении необходимых технологических расчетов. Их использование позволяет упростить существующие технологические процессы, улучшить использование древесного сырья, получить * значительный экономический эффект.

На защиту выносятся: критерий оптимальности поставов и плана раскроя; система оптимальных решений по основным размерным параметрам, необходимым в использовании выводов теории раскроя древесного сырья; аналитические решения по составлению и расчету плана раскроя пиловочного сырья на необрезные и обрезные пиломатериалы; метод оптимальной сортировки пиловочных бревен в соответствии с поставами; зависимости выхода пиломатериалов от основных характеристик распиливаемых бревен; способ раскряжевки хлыстов в соответст-4, вии с заданными сечениями и качеством вырабатываемых пиломатериалов и заготовок; аналитическое описание характеристик качества древесного сырья и направления рациональной переработки его на пилопродукцию; принцип "смежных поставов", используемый в процессе оптимизации раскроя пиломатериалов; направления совершенствования технологии лесопильно-дерев©обрабатывающих производств.

Заключение диссертации по теме «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», Шалаев, В. С

ЗАКЛШЕНИЕ

На основе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие выводы и решения:

1. Процесс раскроя древесины следует рассматривать в единстве от раскряжевки хлыстов до выработки пиленых заготовок и деталей.

2. Современным критерием оптимальности постава и плана раскроя да может быть интегральный показатель объемного выхода пиломатериалов, учитывающий рассеивание диаметров распиливаемых бревен, различную их встречаемость, рассеивание размеров вырабатываемых досок и обеспечивающий получение более достоверных результатов. Интегральный показатель объемного выхода возможно использовать при выработке досок обрезных, необрезных и любой другой формы.

3. При составлении и расчете поставов наряду с традиционными ^ следует использовать полученные как аналитическим, так и расчетным путем формулы и решения для основных размерных параметров. При определении оптимальной толщины боковых обрезных досок при массовом способе раскроя необходимо учитывать реальные условия распиловки одним поставом бревен различных диаметров и неравномерный характер их распределения. При составлении и расчете поставов для этого можно использовать составленные компьютерные программы расчетов.

4. Полученные формулы для определения оптимальных размеров обрезных досок и объема распиливаемых бревен позволяют получить ана литические и графические зависимости объемного выхода от таких ха

0 рактеристик как диаметры в вершинном и комлевом торце, длина. Использование этих зависимостей возможно, в первую очередь, при планировании раскроя пиловочного сырья, реализации новых технологических решений в лесопильно-деревообрабатывающем производстве.

5. Анализ зависимостей показывает их неоднозначный характер для различных поставов. Это позволяет сформулировать важный технологический метод; сортировки пиловочного сырья в соответствии с заранее составленными поставами. В этом случае распиловка рассортированного сырья различными поставами позволит увеличить выход и существенно улучшить степень его использования.

6. Наиболее встречающимся, основным сортообразующим пороком пиловочных бревен и пиломатериалов из древесины основных пород являф ются сучки, которые сохраняют первостепенное значение при изменениях стандартов. Большее влияние на сортность пиломатериалов оказывают кромочные сучки.

7. Средний диаметр сучков в эксплуатационных насаждениях ели колеблется от 12 до 29 мм, для пиловочных бревен - от 17 до 22 мм. Большая часть сучков имеет размеры до 45 мм. Для древесины сосны и березы эти показатели примерно в два раза больше. Наоборот, по количеству сучков на поверхности одного погонного метра ствола на первом месте находится ель, затем сосна, береза и осина. Наблюдается увеличение среднего диаметра сучков и диаметра максимального сучка при увеличении толщины бревна, для ели - незначительное, для сосны, березы - более значительное.

8. В стволах всех пород древесины возможно ввделение трех зон сучковатости: без сучков, несросшихся сучков, сросшихся сучков. Для ели наиболее развита вершинная часть ствола и зона сросшихся сучков, практически отсутствует бессучковая зона. Для сосны бессучковая зона существенно больше.

9. Распределение пиловочных бревен по диаметру максимального сучка на их поверхности может быть описано логарифмически нормальным (логнормальным) законом.

10. Между размерами максимального сучка и средними размерами сучков на поверхности пиловочных бревен имеется тесная прямая связь. Зависимость среднего размера сучков от размера максимального сучка удовлетворительно описывается уравнением прямой. Связь между размерами и количеством сучков в пиловочных бревнах слабее.

11. Распределение сучков по их размерам на поверхности бревен соответствует нормальному закону, который может быть положен в основу исследований особенностей качества пиловочных бревен. Некоторая асимметрия распределений может быть объяснена отсутствием дан ных по деревьям и сучьям малых размеров, данных по сучьям, отмершим в процессе роста и развития насаждений. Для еловой древесины на отдельных участках с определенной степенью точности это распределение может быть описано линейным законом.

12. Сучки в пиловочных бревнах располагаются неравномерно и концентрируются преимущественно на поверхностях одной или двух четвертин бревен. В среднем количество сучков диаметром более

10 мм на поверхности наиболее насыщенной четвертины, например, для еловых бревен превышает 40% от их общего числа. Для сосновых бревен этот показатель существенно выше. Распределение (концентрация) сучков на поверхности пиловочных бревен может быть описано усеченным нормальным законом и зависит, в первую очередь, от диаметра максимального сучка, количества учитываемых сучков.

13. В условиях традиционных правил сортировки бревен, а затем при составлении плана раскроя постава рассчитывают по соответствующим размерным группам бревен, т.е. составляют, в первую очередь, под размеры бревен, обычно под диаметр в вершинном торце. Более

Ф эффективным является метод сортировки в соответствии с поставами на распиловку. В этом случае исходя из заданных сечений и качества пиломатериалов и составленных поставов подбирают в процессе сортировки соответствующие размерно-качественные группы бревен. Сортировка бревен по диаметру в вершинном торце и распиловка их соответствующими поставами обеспечивает, в первую очередь, увеличение выхода пиломатериалов, вырабатываемых в пределах пласти бруса, как правило, толстых. Сортировка бревен по длине и диаметру в комлевом торце и распиловка их соответствующими поставами обеспечивает увеличение выхода пиломатериалов, как правило, тонких и вырабатываемых из боковых зон бревна. Сортировка бревен по качеству и распиловке их соответствующими поставами позволяет улучшить сос-^ тав вырабатываемых пиломатериалов по качеству и соответственно увеличить их ценностный выход.

14. При составлении и расчете плана раскроя пиловочного сырья необходимо учитывать изменения объема бревна в зависимости от его диаметра даже в небольших диапазонах; различную встречаемость бревен в зависимости от их диаметра. Это можно учесть при использовании интегрального показателя объемного выхода пиломатериалов. Его использование позволяет обеспечить более точную и объективную

Ш оценку рациональности составленных поставов и плана раскроя бревен; учитывать изменение объема бревна в зависимости от его диаметра даже в небольших диапазонах и различную встречаемость бревен в зависимости от их диаметра.

15. При составлении планов раскроя сырья на пиломатериалы обычно используются методы линейного программирования. В качестве развития альтернативного метода при составлении плана раскроя сырья на необрезные пиломатериалы предлагается аналитический метод с ис-* пользованием коэффициента, учитывающего отходы в обзольные и сбеф говые рейки. При этом составление поставов осуществляется одновременно по всему диапазону бревен, из которых может быть получен планируемый к выработке сортимент пиломатериалов; учитывается реальное распределение бревен по их диаметрам. Использование предлагаемого метода оптимизации плана раскроя пиловочного сырья на необрезные пиломатериалы, его разработанность позволяет более точ но и объективно оценивать оптимальность составляемых планов, увеличить объемный выход вырабатываемой продукции.

16. По действующим стандартам размеры и количество сучков, допускаемых на пластях и кромках досок, различны. Меньшее количество и меньшие размеры сучков допускаются на кромках досок, а большие размеры и большее количество - на пластях. Эта особенность технических требований к пиломатериалам приводит к тому, что расположение сучков на кромках досок в большей степени влияет на их сортообразование. Результаты ряда исследователей и полученные нами данные подтверждают это. Предварительные исследования качества елового и соснового пиловочного сырья показали значительную неравномерность распределения сучков на поверхности бревен. Установлено, что сучки концентрируются преимущественно на поверхностях одной или двух четвертин бревен, что объясняется условиями роста лесных насаждений и более сильным развитием ветвей в сторону наибольшего светового потока. Месторасположение сучков максимальных размеров по преимуществу совпадает с местами максимальной их концентрации. Указанная особенность технических требований к пиломатериалам и существующая концентрация сучков в бревнах дают возможность улучшения состава пиломатериалов по качеству и увеличения их ценностного выхода за счет такого ориентирования распиливаемых бревен, при котором сучки в наибольшем количестве и крупных размеров попадали бы не * на кромку, а на пласти выпиливаемых досок. у 17. Оптимизацию процесса производства заготовок из древесины необходимо рассматривать по всей совокупности операций раскроя используя способ раскряжевки хлыстов в соответствии с заданными сечениями вырабатываемых пиломатериалов и заготовок. Определяющими факторами в выходе пиленых заготовок заданных размеров и качества являются соответствие постава диаметру раскраиваемого бревна и длин заготовок длине досок. Планирование раскроя как хлыстов, бревен, так и досок с учетом размеров и качества пиленых заготовок позволяет увеличить, в первую очередь, их объемный выход.

18. Процесс оптимальной переработки пиломатериалов возможно осуществлять с использованием принципа "смежности", когда раскрой древесины, как в бревнах, так и в пиломатериалах, осуществляется , системой, блоком постоянно работающих поставов, которые позволяют вырабатывать продукцию различных размеров и качества и пилы которых работают попеременно при раскрое различных размерно-качественных групп бревен и пиломатериалов. В этом случае без смены постава возможно распиливание бревен, брусьев и досок достаточно большого диапазона размеров и качества и выработка соответственно продукции различных размеров и качества в большем количестве.

19. Результаты исследований послужили основой для создания и реализации "Руководящих технических материалов по математическому определению технологии заготовок для малоэтажных деревянных домов" и внедрены на ряде предприятий страны. Ш