ЭФФЕКТИВНОСТЬ ХАРВЕСТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВКИ ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 630.323.3:004.94

Хвойные бореальной зоны. Том XXXVI, № 1. С. 12-17 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ХАРВЕСТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВКИ ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ

А. В. Никончук, А. В. Никончук, В. А. Лозовой, А. С. Крисько, С. С. Ступников, М. Ю. Геваргис

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: n_alex_krsk@mail.ru

Одной из главных характеристик любого деревообрабатывающего производства и его рентабельности является максимизация получения пиломатериалов. Технологические процессы, применяемые при заготовке сырья для лесопильных производств, при этом играют одну из главных ролей. Сортиментная, в том числе, харве-стерная технология заготовки древесного сырья, на сегодняшний день, является одной из основных технологий, как в Красноярском крае, так и в мире.

На основании анализа литературных источников определена методика проведения имитационного моделирования раскряжевки хлыстов с учетом их формы. На основе данной методики определена математическая модель хлыстов (образующая хлыстов) сосны для Кежемского района Красноярского края. Полученное уравнение имеет низкую ошибку выходного параметра. Использовать, полученное уравнение образующей хлыста при имитационном моделировании раскряжевки хлыстов на круглые лесоматериалы наиболее удобно, в том числе с использованием ЭВМ.

Авторы данной статьи пришли к выводу, что предприятия Красноярского края Кежемского района, использующие при проведении лесосечных работ харвестерную технологию, имеют потери в цилиндрическом объёме круглых лесоматериалов 8,2 % на каждые 150 хлыстов, если нацелены на получение как основного круглого лесоматериала длиной 6 метров и 4-метрового как дополнительного.

При этом если учесть форму ствола и сделать соответствующие корректировки в программе раскроя хлыстов, с точки зрения цилиндрического объёма получаемых при раскряжевке хлыстов круглых лесоматериалов, мы можем получить дополнительную прибыль. За счет увеличения выхода пиломатериалов без дополнительных капиталовложений в лесопильное производство и минимизацию получаемых отходов.

Ключевые слова: раскряжёвка; моделирование; хлыст; круглый лесоматериал; объем древесины.

Conifers of the boreal area. Vol. XXXVI, No. 1, P. 12-17

THE EFFICIENCY OF HARVESTING PROCESSING TECHNOLOGY OF WOOD RAW MATERIALS

A. V. Nikonchuk, A. V. Nikonchuk, V. A. Lozovoi, A. S. Crisco, S. S. Stupnikov, M. Yu. Gevargis

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: n_alex_krsk@mail.ru

One of the main characteristics of any woodworking production and its profitability is the maximization of the production of sawn timber. Technological processes used in the procurement of raw materials for sawmills, are playing a major role. The fragmented, including harvested technology of harvesting wood raw materials, today is one of the main technologies, both in the Krasnoyarsk Territory and in all the world.

By the analyzing of the literature sources, a methodology for simulating the cross-cutting of whips is determined, which takes in account their shapes. On the basis of this technique, a mathematical model of the whips of the pine for the Kezhemsky district of the Krasnoyarsk Territory is defined. The resulting equation has a low error of the output parameter. To use the obtained equation of the whip generation during the simulation of the trimming of the whips on round timber is most convenient, including with the use of a computer.

The authors of this article came to the conclusion that the enterprises of the Krasnoyarsk Territory of Kezhemsky District, using harvester technology for cutting logging operations, have losses in the cylindrical volume of round timber 8.2 % for every 150 logs if they are aimed at obtaining both a basic round timber of six meters and four meter as an additional.

At the same time, if we take into account the shape of the trunk and make appropriate adjustments in the program of cutting the whips, from the point of view of the cylindrical volume of round timber obtained during cross-cutting, we

can obtain additional profit. By increasing the output of lumber with no additional capital investment in the sawmill production and minimization of waste generated.

Keywords: bucking; modeling; whip; roundwood; timber volume.

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день в лесных районах Российской Федерации как основной способ заготовки древесного сырья преобладает сортиментный. Соответственно, хлыстовая технология отошла на второй план, а способ вывозки древесины из лесосеки деревьями практически отсутствует). При всем при этом заготовка деревьями, хлыстами, как способ вывозки древесины с верхнего склада, по сравнению с сортимент -ной технологией имеет ряд существенных преимуществ: аккумулирование большинства технологических операций на лесопромышленных складах; использование высокопроизводительного нижнескладского оборудования основанного на использовании более дешевого электрического источника энергии; возможность большего выхода (качественных) деловых сортиментов и большего комплексного использования древесной биомассы дерева.

По опубликованным данным [10] в настоящее время доля мировой вывозки древесного сырья деревьями от общего объема составляет приблизительно 50 %, на долю сортиментной технологии приходится около 30 %, а хлыстовая технология составляет соответственно около 20 %. В большинстве районов России доля сортиментного метода заготовки достигает 90 %. Красноярский край не является исключением и по материалам Стратегии развития лесопромышленного комплекса Красноярского края до 2025 года в крае насчитывается три крупнейших района по объёмам расчётной лесосеки превышающей 5 млн куб. м в год каждый (Богучанский, Енисейский, Кежемский). К примеру, только Кежемский район имеет расчетную лесосеку около 6850 тыс. куб. м в год.

Опираясь на доклады сотрудников Министерства лесного хозяйства Красноярского края, доложенных на совещании проведенного осенью 2017 года, более 3,5 млн куб. м, от расчетной лесосеки, лесозаготовительные предприятия на примере Кежемского района заготавливают лесные насаждения используя харве-стерную (сортиментную) технологию заготовки древесины, а транспортные пакеты формируются сортиментами длиной 4 и 6 метров. Такой ограниченный диапазон длин выпиливаемых сортиментов на наш взгляд связан, во-первых, с удобством использования таких длин при транспортировке, во-вторых, с невозможностью, и в-третьих, с нежеланием перевооружения транспортно-подвижного состава предприятий.

Учитывая тот факт, что лесопильная промышленность России уже долгое время стремится переступить черту 50 %-го объёмного выхода обрезных пиломатериалов, это обстоятельство не в последнюю очередь зависит от оптимизации длин выпиливаемых сортиментов с учетом цилиндрического объема круглых лесоматериалов. Мы имеем заведомо проигрышный вариант с сортиментной технологией [9].

Поэтому авторами данной работы поставлена цель -установить фактические потери этими предприятиями

объёмного выхода круглых лесоматериалов и соответственно пиломатериалов, а также наметить теоретически обоснованные пути его повышения.

Для реализации сформулированной цели необходим алгоритм имитационных исследований процессов раскроя хлыстов с учетом особенностей формы древесных стволов деревьев произрастающих в данном регионе.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Для проведения имитационных исследований процессов раскроя хлыстов с учётом формы необходимо иметь математическую модель его образующей. Вопросом образующей хлыста занимались профессора В. К. Захаров, В. С. Петровским, С. Око Клемент и др. [1-7; 11; 12; 13] в результате этих исследований было установлено, что для получения достоверных данных о форме стволов достаточно обмерить 150 хлыстов. Соответствующим образом обработанные данные по хлыстам преобразовываются в уравнение образующей, которое имеет вид полинома 4-й степени (1),

-21 = , (±I4 + Я (±Г + с(±Т + О(±) + *,(!)

d.

H

H

H

H,

где A, B, C, D, E - коэффициенты уравнения.

Данное уравнение легко в использовании и сокращает объём необходимых вычислений при решении задачи по определению схемы раскроя хлыстов. Для его использования необходимо уравнение образующей перевести в таблицу изменения относительных сбегов 2x/d0,5 по относительной длине l / Н, заложить ее в блок памяти вычислительного устройства и производить необходимые нам расчеты. Более подробно эта методика описана в следующих литературных источниках [1; 8].

По выше изложенной методике мы произвели обмер 150 хлыстов сосны в Кежемском районе Кодинского лесничества Красноярского края, обработали полученные данные и определили основные параметры функции распределения: получили средние значения случайной величины yi = 2 х / d0 5; проверили гипотезу нормальности распределения случайной величины; осуществили проверку однородности дисперсий. Произвели регрессионный анализ: методом наименьших квадратов вывели уравнение регрессионной зависимости между относительными диаметрами и относительными длинами хлыстов; осуществили проверку адекватности модели; с помощью оптимизатора Microsoft Excel получили следующее уравнение образующей хлыстов (2):

2Х- = 3,248 f—1 - 9,1235 f—1 + 7,9952 f—1 -

H 1 I H

3,28811 h 1 +1,6103.

H

(2)

Расчет с использованием уравнения (2) производится достаточно просто, переведя его в таблицу изменения относительных сбегов 2х/йЮ,5 по относительной длине l / Н, к примеру, необходимо вычислить длину пиловочной зоны l048 в хлысте длиной Н = 20 м, d05 = 0,17 м. Относительный сбег в этой в этом сечении составляет 2х/з?0,5 = 0,48 / 0,17 = 2,823. По величине относительного сбега из таблицы находим относительную длину l / Н = 0,81, для этого соотношения находим протяженность пиловочной зоны хлыста l = Н ■ 0,81 = 16,2 м, из этого значения отнимем величину принятой нами откомлевки, в данном случае 15 см, в результате протяженность пиловочной зоны составляет 14,25 метров. Оставшаяся часть хлыста до сечения 6 см переходит в балансовую зону. Определить протяженность этого участка, по выше описанному методу, также не составляет труда. Относительный сбег в этой в этом сечении составляет 2х/d0г5 = 0,06 / 0,17 = 0,3529. По величине относительного сбега из таблицы находим относительную длину l / Н = 1,0; для этого соотношения находим протяженность пиловочной зоны хлыста l = Н ■ 20 = 20 м, т. е. данный хлыст не имеет сечения с диаметром ниже 6 см. Тогда балансовую зону определим как разность длины хлыста и протяженности пиловочной зоны с учетом величины откомлевки: l006 = Н - l0,14 = 20 - 16,2 = 3,8 м.

Для удобства и сокращения времени проведения, выше представленных, расчетов рекомендуем использовать методику, представленную в работе [8], так как вариантов раскроя каждого хлыста может быть от более 800 тысяч, что требует при обработке данных в оптимизаторе Microsoft Excel достаточно мощное компьютерное оснащение. Программа, написанная авторами в работе [8] на языке программирования Delphi, сокращает время расчета в десятки раз.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для проведения имитационного моделирования необходимо чтобы, градация изменения относительной длины должна быть 0.01. Такая увеличенная дробность таблицы изменения относительного сбега будет хорошо согласовываться с градацией по длине круглых лесоматериалов по ГОСТу. Оптимальные схемы раскряжевки хлыстов должны быть направлены на получение сортиментов наилучших геометрических размеров, с минимальными объемами древесины зон сбега. Каждый хлыст может быть раскроен на десятки тысяч и миллионы возможных вариантов. Определить возможный вариант раскряжевки с минимальным объемом древесины в зонах сбега последовательным или беспорядочным перебором всех возможных вариантов не предоставляется возможным без применения современных вычислительных машин, при этом имея четкую логику поиска. При проведении имитационного моделирования раскряжевки хлыстов с учетом максимального цилиндрического объема древесины, логичным будет предположить, что любой хлыст удобнее всего будет раскряжевать на максимальное количество отрезков минимальной толщины, но такой раскрой не даст практического и экономического эффекта, то есть в данном случае необходимо ввести логические ограничения, такие как, например сортиментный план предприятия.

На первом этапе для того чтобы уточнить сорти-ментный план нам необходимо понять, какой может быть максимальный выход деловой древесины при раскряжевке хлыстов с учетом ГОСТ-9463-88, как основной логический ограничивающий элемент. Кроме этого принято решение о раскряжевке всего хлыста до пяти возможных сортиментов, при этом, также ограничивающим условием является максимальное использование хлыста с минимальным количеством отходов получаемых при раскряжевке. В табл. 1 представлены (фрагмент) результаты имитационного моделирования раскряжевки хлыстов по ГОСТУ.

На втором этапе как ограничивающий логический элемент мы приняли сортиментный план предприятия, с использованием харвестерной технологии, при которой раскряжевка производится с максимально возможным выходом 6-метровых сортиментов или 4-метровых как альтернатива. С учетом этих ограничений было проведено имитационное моделировании раскряжевки хлыстов, результаты представлены в табл. 2.

На третьем этапе для того чтобы провести имитационное моделирование раскряжевки мы принимаем логическое ограничение длин выпиливаемых сортиментов, такое как, характеристика подвижного состава (габариты конико-зажимных механизмов).

Если изменить длину выпиливаемых сортиментов от 6- и 4-метровых на другие длины - то это приведет к нежелательным затратам на реконструкцию подвижного состава (конико-зажимных механизмов на автолесовозах).

Исходя из этого, проведем имитационное моделирование раскряжевки хлыстов без изменения длин выпиливаемых сортиментов, но с точки зрения увеличения выхода деловой древесины, результаты представлены в табл. 3.

На четвертом этапе учитывая тот факт что, имитационное моделирование раскряжевки хлыстов по ГОСТу дает максимальный общий объём выпиливаемых сортиментов, проведем анализ длин получаемых сортиментов. Что позволит дать дополнительные рекомендации для харвестерной технологии.

Общее количество сортиментов полученных при раскряжевке по ГОСТу составило 750 штук. Количественные показатели полученных сортиментов по длинам представлены в табл. 4.

Проведя сортировку представленных в табл. 4 результатов по убывающей, сгруппировав их в группы примерно по сто штук в каждой, получим следующую гистограмму (см. рисунок).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

И РЕКОМЕНДАЦИИ

Таким образом, в данной работе предлагается использовать для расчета оптимальной схемы раскряжевки древесных хлыстов метод профессора Петровского.

Построенное уравнение образующей хлыста по его методике, обработанные данные 150 хлыстов сосны проведенных взятые в Кежемском районе Красноярского края, имеет низкую ошибку выходного параметра. Использовать полученное уравнение образующей хлыста при имитационном моделировании

раскряжевки хлыстов на сортименты достаточно просто, в том числе с использованием ЭВМ.

Проведённый сравнительный анализ на основе имитационного моделирования раскряжевки хлыстов на сортименты дает следующее:

- с учетом ГОСТ, общий выход цилиндрического объёма деловой древесины равный 198,97 м3 из 231,15 м3 хлыстов или 86 % выход деловой древесины;

- по сортиментному плану предприятия, с использованием харвестерной технологии, при которой раскряжевка производится с максимально возможным выходом 6-метровых сортиментов, общий выход цилиндрического объёма деловой древесины составил 158,32 м3 или 68,5 % от объёма хлыстов;

- по сортиментному плану предприятия, с использованием харвестерной технологии, при которой раскряжевка производится на 6- и 4-метровые сортименты, но уже с точки зрения увеличения выхода деловой древесины и он составил 172,42 м3 или 74,6 % от объёма хлыстов;

Анализ полученных результатов: Сортиментный план предприятия, с использованием харвестерной технологии, с максимизацией выхода 6-метровых сортиментов и 4-метровых как альтернатива, даёт потери деловой древесины в объёме 14,1 м3 на каждые 150 хлыстов, по сравнению с раскряжевкой на такие же длины сортиментов, но с максимизацией выхода деловой древесины.

Таблица 1

Результаты имитационного моделирования поиска оптимальных схем раскряжевки хлыстов по ГОСТу (фрагмент)

№ Длина хлыста ¿хл, м Диаметр на середине длины хлыста О0,5, см Длины круглых лесоматериалов а, м Общий цилиндрический объём Уц, м3

а[ а2 а3 а4 а5

1 24 36,3 3 6,25 5,5 4,5 4,75 2,16

2 20 31 3 5,25 4,25 3,5 4 1,31

— — — — — — — — —

149 20 29 3 5,25 4,25 3,5 4 1,14

150 20 27,5 3 5,25 4,25 3,5 4 1,03

Итого X = 198,97

Таблица 2

Результаты имитационного моделирования раскряжевки хлыстов с максимизацией выхода 6-метровых сортиментов или 4-метровых как альтернатива (фрагмент)

№ Длина хлыста Ьхл, м Диаметр на середине длины хлыста Оо,5, см Длины круглых лесоматериалов а,, м Общий цилиндрический объём Уц, м3

а[ а2 а3 а4 а5

1 24 36,3 6 6 4 4 4 2,07

2 20 31,0 6 6 4 4 4 1,25

- - - - - - - - -

149 20 29 6 6 4 4 4 0,69

150 20 27,5 6 4 4 4 4 0,98

Итого X = 158,32

Таблица 3

Результаты имитационного моделирования раскряжевки хлыстов на 4- и 6-метровые сортименты с максимизацией выхода деловой древесины (фрагмент)

№ Длина хлыста ¿хл, м Диаметр на середине длины хлыста О0,5, см Длины круглых лесоматериалов а,, м Общий цилиндрический объём Уц, м3

а[ а2 а3 а4 а5

1 24 36,3 4 4 4 6 6 2,08

2 20 31,0 4 4 4 4 4 1,29

- - - - - - - - -

149 20 29 4 4 4 4 4 0,71

150 20 27,5 4 4 4 4 4 1,01

Итого X = 172,42

Таблица 4

Результаты распределения длин получаемых сортиментов при имитационном моделировании раскряжевки хлыстов по ГОСТ

Длина сортимента, м 3 3,25 3,5 3,75 4 4,25 4,5 4,75 5 5,25 5,5 5,75 6 6,25 6,5

Количество, шт. 164 39 58 52 61 102 43 41 22 51 39 4 39 7 28

Гистограмма сгруппированных длин выпиливаемых сотриментов

Таким образом, если принять данную методику раскряжевки хлыстов на сортименты, при сегодняшнем объёме производства предприятий Кежемского района, а это около 3 500 тыс. м3 в год, мы дополнительно получим около 35 тыс. м3 древесины в виде пиломатериалов. В противном случае этот объём уходит в отходы, при лесопилении, в виде срезок торцов, горбылей, реек и т. д.

Авторы данной статьи полагают, что факт изменения длины выпиливаемых сортиментов от 6- и 4-метровых при принятой харвестерной технологии на другие длины приводит к нежелательным затратам на реконструкцию подвижного состава, является не обоснованным. Так как появляется значительная потеря в цилиндрическом объеме получаемой древесины. На наш взгляд, если провести не значительные изменения конструктивных особенностей подвижного состава. Опираясь на диаграмму (см. рисунок) возможно получение дополнительной прибыли за счет повышенного выхода обрезных пиломатериалов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Петровский В. С. Оптимальная раскряжевка лесоматериалов. 2-е изд. перераб. и доп. М. : Лесная пром-сть, 1989. 288 с.

2. Степаков Г. А. Оптимизация производства круглых лесоматериалов. М. : Лесная пром-сть, 1974. 160 с.

3. Анучин, Н. П. Раскряжевка хвойных деревьев. М. : Гослестехиздат, 1936. 48 с.

4. Анучин Н. П. Лесная таксация : учебник для вузов. 5-е изд., доп. М. : Лесн. пром-сть, 1982. - 552 с.

5. Петровский В. С. Поиск экстремума функций V (а1, а2, ... ап) при заданных ограничениях // Сб. тр. СибТИ. Красноярск, 1965. С. 26.

6. Петровский В. С. Алгоритмизация раскряжевки хлыстов // Лесная пром-сть, 1963. № 7. С. 10-12.

7. Петровский, В. С. Разработка и исследование методов таксации хлыстов и бревен в системе автома-

тического управления раскряжевочным агрегатами // Лесной журнал. 1966. № 3. С. 5.

8. Никончук А. В., Никончук А. В., Гришин К. М. Имитационное моделирование раскряжевки хлыстов сосны с максимизацией выхода плановых круглых лесоматериалов // Вестник КрасГАУ. 2014. С. 130135.

9. Каргина Е. В., Матвеева И. С., Огурцов В. В. Теоретические основы расчета поставов для распиловки бревен с пороками // Хвойные бореальной зоны. 2011. Т. XXVIII. № 1. С. 140-145.

10. Дополнительные материалы [Электронный ресурс] / Статьи / Технологии и оборудование лесозаготовок // Сайт компании ООО «Форвард». URL: http://forwarder.ru/ (дата обращения: 25.11.2017).

11. Петровский В. С. Вопросы теории раскроя древесных стволов // Лесной журнал. 1963. № 3. С. 11.

12. Петровский B. C. Исследование рационального и слепого раскроя хлыстов хвойных пород // Сб. тр. СибТИ. Красноярск, 1990. С. 9.

13. Петровский B. C. Некоторые задачи теории раскроя древесных стволов // Сб. тр. СибТИ. Красноярск, 1963. № 3. С. 13.

REFERENCES

1. Petrovsky V. S. Optimal bucking of timber. 2nd ed. Rev. and extra. M. : Forest industry, 1989. 288 p.

2. Stepakov G. A. Optimizing the production of round timber. M. : Forest industry, 1974. 160 p.

3. Anuchin N. P. Bucking of conifers. M. : Goslestechizdat, 1936. 48 p.

4. Anuchin N. P. Forest valuation: Textbook for universities. 5th ed. extra. M. : Lesn. industry, 1982. 552 p.

5. Petrovsky V. S. the Search of extremum of functions V (аь а2, ... а„) under the given constraints // Collected works of SibTE. Krasnoyarsk, 1965. P. 26.

6. Petrovsky V. S. Algorithmization of bucking Khlystov // Forest industry, 1963. No. 7. S. 10-12.

7. Petrovsky V. S. Development and research of methods of assessment of whips and logs in the system of automatic control of the bucking units // Lesnoy journal. 1966. No. 3. S. 5.

8. Nikonchuk A. V., Nikonchuk A. V., Grishin K. M. Simulation of bucking Khlystov pine with the maximization of output planned round timber // Bulletin Krasgau : collection of articles. Krasnoyarsk, 2014. S. 130-135.

9. Kargin E. V., Matveeva I. S., Ogurtsov V. V. Theoretical bases of calculation for sawing of logs with defects // Conifers of the boreal area. Vol. XXVIII. 2011. No. 1. Pp. 140-145.

10. Additional material [Electronic resource] / Articles / Technology and equipment of logging //

Website of the company "Forward". URL: http:// forwarder.ru/ (date of visit: 25.11.2017).

11. Petrovsky V. S. Problems of the theory of cutting wood trunks // Lesnoy journal. 1963. No. 3. S. 11.

12. Petrovsky B. C. The Study of rational and blind cutting whips softwood // Collected works of SibTE. Krasnoyarsk, 1990. S. 9.

13. Petrovsky B. C. Some problems of the theory of cutting wood trunks // Collected works of SibTE. 1963. № 3. S. 13.

© Никончук А. В., Никончук А. В., Лозовой В. А., Крисько А. С., Ступников С. С., Геваргис М. Ю., 2018

Поступила в редакцию 19.10.2017 Принята к печати 26.02.2018