CC BY
22
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Многокритериальные задачи оптимизации по определенному частному критерию решают путем ранжирования критериев по важности или синтеза глобального критерия. Как показано в работах [3, 4], при этом можно критерии располагать в жестком порядке или располагать произвольно, но тогда необходимо назначение определенной уступки.
При рациональном управлении лесотранспортными процессами каждому частному критерию max P; max S; max C соответствует определенное отклонение 5p, 5s, 5c.
Поиск рационального варианта ведется в следующей последовательности:
1. найти max P(k1, lv m)
2. найти max S (k2, l2, m2);
P(k2, l2, m2) ^ max P(k1, lv m^~ 5p
3. найти max C(k3, l3, m3);
P(k3, l3, m3) ^ max P(kp lv mx)~ 5p
S (k3, l3, m3) ^ max S (k2, l2, m2)- 5s.
На рис. 4 представлены графическая интерпретация назначения уступок. Результаты расчетов показывают, что в начальный момент даже небольшие уступки 5s позволя-
ют получать значительный выигрыш по критерию max P. В дальнейшем с увеличением уступки 5 происходит значительное замедления выигрыша.
Представленный подход к управлению лесотранспортным процессом позволяет получать решения по повышению эффективности использования дорожного сетевого ресурса при минимальном воздействии на лесную экосистему.
Библиографический список
1. Курьянов, В.К. Повышение эксплуатационно-экологического уровня лесовозного автомобильного транспорта: автореф. дис. ...д-ра техн. наук / В.К. Курьянов. - М., 1993. - 39 с.
2. Лебедев, Ю.В. Эколого-экономическая оценка лесов Урала / Ю.В. Лебедев.- Екатеринбург, УрО РАН, 1998. - 214 с.
3. Лебедев, Ю.В. Методология многоцелевого использования в общей системе природопользования региона / Ю.В. Лебедев // Изв.ВУЗов. Лесной журнал. - 1997. - № 5. - С. 65-74.
4. Мелентьев, Л.А. Оптимизация развития и управления больших систем энергетики / Л.А. Мелентьев. - М.: Высшая школа, 1976. - 320 с.
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
с древостоем фрезы машины для срезки древесной
растительности ТИПА ЭСЛ
В.Ф. СИНИЦЫН, проф. каф. торфяных машин и оборудования Тверского ГТУ, д-р техн. наук
В торфяной промышленности с 1956 г. при подготовке торфяных месторождений к разработке используются специальные машины для срезки древесной растительности - машины типа ЭСЛ [1]. Машины этого типа оснащаются двигателями мощностью 70-110 кВт, имеют высокую производительность - за смену древесная растительность срезается на площади 0,5-0,7 га. Машина представляет собой навесное на экскаватор оборудование. Исполнительным органом, осуществляющим срезку деревьев, является дисковая фреза. Фреза расположена на конце стрелы. Каждый рабочий проход фрезы - результат поворота верхнего поворотного строения экскаватора (по направлению часовой стрелки) на угол 180°. Скорость подачи фрезы на рабочем проходе
2-3 м/с. В течение рабочего прохода срезанные деревья стоят на диске, закрывающем фрезу сверху, и удерживаются от падения специальным устройством, входящим в состав стрелы - откладчиком. В конце рабочего прохода срезанные деревья, двигаясь по инерции, падают в навал. Поворотом верхнего строения против часовой стрелки на угол 180° фреза возвращается в исходное положение. Эти маятниковые движения фрезы производятся впереди машины. Перед каждым рабочим проходом фрезы машина перемещается вперед на 0,9-1,2 м. В результате прохода машины древесная растительность срезается на полосе шириной 1216 м, а на правой (по ходу движения машины) границе этой полосы образуется непрерывный навал срезанных деревьев.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2010
111
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Рис. 1. Результаты моделирования древостоя на полосе рабочего прохода фрезы
В процессе создания и совершенствования машины был выполнен большой объем экспериментальных исследований. Исследования показали, что на привод фрезы расходуется около 90 % энергии, необходимой для работы машины. Во время рабочего прохода фреза попеременно совершает срезку очередного дерева и холостой ход до встречи со следующим деревом. Во время срезки дерева пиковые значения мощности на зубьях фрезы достигают величины, в 3-4 раза превышающей мощность двигателя. Расход энергии, необходимый для срезки дерева, на 2/3-3/4 покрывается за счет кинетической энергии фрезы, угловая скорость которой во время срезки дерева уменьшается. Во время холостого хода энергия, поступающая от двигателя, расходуется на восстановление кинетической энергии фрезы - ее угловая скорость увеличивается. Фреза является своеобразным аккумулятором энергии.
Из сказанного следует, что при проектировании машины задача определения необходимой мощности привода одновременно является и задачей определения необходимого момента инерции.
Есть аналитические решения этой задачи [2, 3]. Однако этим решениям присущи определенные недостатки. Трудность получения аналитического решения, в достаточной мере адекватно отражающего процесс взаимодействия фрезы с древостоем, обусловлена тем, что диаметр срезаемого дерева и его координаты являются случайными величинами. Это обстоятельство и заставило нас разработать математическое описание процесса взаимодействия фрезы с древостоем в виде имитационной модели.
Предлагаемая имитационная модель реализуется комплексом программ написанных на языке BASIC. Комплекс состоит из двух программ. Первая программа осуществляет моделирование древостоя, срезаемого при рабочем проходе фрезы. Вторая программа непосредственно реализует имитационную модель процесса взаимодействия фрезы с древостоем.
Моделирование древостоя, срезаемого при рабочем проходе фрезы, основано на следующих положениях. Есть основание считать, что случаи прохождения окружностью фрезы центров срезаемых деревьев являются простейшим потоком событий [4]. В этой связи расстояние L(I) (в направлении подачи фрезы) между центрами последовательно срезаемых деревьев (рис. 1) моделируется как реализация случайной величины с плотностью распределения
AL) = ь • еЛ (1)
где Ь - среднее количество деревьев, приходящееся на единицу длины рабочего прохода фрезы, 1/м.
Величина Ь вычисляется по формуле Ь = lO^k/D/m, (2)
где kf - коэффициент использования диаметра фрезы;
Df - диаметр фрезы, м; m - густота древостоя, 1/га.
Диаметр деревьев древостоя чаще всего характеризуют двумя параметрами - величинами математического ожидания md и среднего квадратичного отклонения ad. В связи с этим диаметр срезаемого дерева моделируется как реализация случайной величины, распределенной по нормальному закону с числовыми характеристиками md и ad.
112
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Рис. 2. Блок-схема алгоритма, имитирующего процесс срезки деревьев фрезой машины типа ЭСЛ
Непосредственными результатами моделирования являются два массива - массив диаметров D(1:N) и массив расстояний L(1: N). Количество моделируемых диаметров N берется таким, чтобы значения md и ad, вычисленные по смоделированной совокупности диаметров, практически не отличались от исходных. Смоделированные массивы диаметров и расстояний служат исходными данными для вычисления каждого элемента двух массивов: Lnr(I) - путь фрезы до начала резания /-го дерева; Lkr(I) - путь фрезы до окончания резания /-го дерева (рис. 1). Конечными результатами работы программы моделирования древостоя являются массивы D(1 :N), Lnr(1 :N), Lkr(1 :N)3to массивы выводятся в файл.
Программа, реализующая имитационную модель процесса взаимодействия фрезы с древостоем, в качестве исходных использует следующие данные: w - скорость подачи
фрезы, м/с; Nd - мощность привода фрезы, кВт; Jf - момент инерции фрезы, кг-м2; B - ширина пропила (ширина зубьев фрезы), м; ommax - максимальная угловая скорость фрезы, рад/с; ommin - минимальная угловая скорость фрезы, рад/с; A - удельный расход энергии на резание древесины, кДж/м3. Кроме этого программа считывает массивы D(1: N), Lnr(1:N), Lkr(1:N) из файла, созданного первой программой. Результатом работы программы является значение вероятности безостановочной срезки деревьев P.
Вероятность безостановочной срезки деревьев вычисляется по формуле
P = (N - nos)/ N, (3)
где N - количество деревьев, срезаемых фрезой (количество смоделированных диаметров);
nos - количество остановов, количество случаев, когда угловая скорость фре-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010
113
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
зы в процессе срезания очередного дерева падает до величины меньшей ommin и двигатель глохнет.
Алгоритм имитационной модели представляет собой совершенно определенную последовательность действий.
Каждый элемент Lnr(I) и Lkr(I) массивов расстояний, путем деления каждого элемента на скорость подачи w, превращается в элементы массивов времен: tnr(I) - время до начала резания I-го дерева; tkr(I) - время до окончания резания I-го дерева (рис 2, блок 3).
30 70 110 150 190 Nd,Bm
Рис. 3. Зависимость вероятности безостановочной срезки деревьев P от мощности привода фрезы
Nd: 1-Jf = 70 кг-м2; 2-Jf = 50 кг-м2
100 120 140 160 Jf,K8*M2
Рис. 4. Зависимость мощности привода фрезы Nd от величины момента инерции фрезы Jf
Перед началом анализа результата резания первого дерева принимается количество остановов nos=0 и угловая скорость фрезы omn=ommax (рис. 2, блоки 4, 5). Расход энергии на резание очередного дерева вычисляется по формуле
Ar = 3,14(D(I))2BA / 4, кДж, (4)
где D(I) - диаметр дерева.
Время резания дерева вычисляется как разность tkr(I) и tnr(I)
tr = tkr (I) - tnr (I), с. (5)
Через tr вычисляется энергия, поступающая на фрезу за время резания (рис. 2, блок 7).
Ad = tr ■ Nd. (6)
Если дерево последнее, осуществляется расчет и вывод окончательных результатов (рис. 2, блоки 19-23). Если дерево не последнее, вычисляется время холостого хода tx (рис. 2, блок 9) как разность времени, соответствующего моменту начала резания следующего дерева, и времени окончания резания предыдущего дерева.
Если tx < 0, то холостого хода нет и расход энергии на резание и время резания вычисляются как расход энергии и время резания следующего и предыдущего дерева как одного целого (рис. 2, блок 11). При этом факт резания следующего дерева вместе с предыдущим фиксируется путем увеличения на единицу величины k - счетчика деревьев, срезаемых как одно целое.
Если tx > 0, то вычисляется дефицит энергии dA и угловая скорость фрезы в конце резания omk (рис. 2, блоки 10, 12)
dA = Ar - Ad, (7)
omk = (omm2 - 2-1000-(dA/J))0,5. (8)
Вычисленное значение omk сравнивается с ommin (рис. 2, блок 13). Если omk меньше ommin , фиксируется останов: к счетчику остановов nos прибавляется k количество деревьев, срезаемых как одно целое, omn принимается равным ommax и осуществляется переход к анализу резания следующего дерева (блок 14). Если omk больше ommin (блок 13), останова нет, вычисляется угловая скорость omn , до которой разгонится фреза к моменту начала резания следующего дерева, и осуществляется переход к анализу резания следующего дерева (блоки 13, 15-18).
Как отмечено выше, если дерево последнее (блок 8), осуществляется расчет и вывод окончательных результатов (блоки 19-23).
Можно заметить, что в имитационной модели сложный процесс взаимодействия фрез с древостоем сводится к анализу резуль-
114
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2010
