CC BY
47
УДК 630*32 (0758)
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР
ЛЕСОПИЛЕНИЯ А. С. Черных
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
as-umu@mail.ru
В перспективе перехода на безотходную технологию предприятий переработки древесного сырья потребуется внедрение новых технологий и машин, например, гибких автоматизированных производств с широким использованием программного управления, современных средств вычислительной техники, робототехники и т.д. Внедрение таких технологий позволит более рационально организовать процесс работы лесопильного производства. Для определения оптимального состава оборудования в цехах переработки древесины возникает необходимость в новых подходах к решению оптимизационных задач. Трудности в решении таких задач связаны с рассмотрением множества факторов, обусловленных в свою очередь множеством типов оборудования, видов обрабатываемого сырья, различием режимов обработки и т.д. Усложняет решение и без того сложных оптимизационных задач необходимость в использовании ряда критериев, обусловленных учетом маркетинга в меняющихся рыночных отношениях. Задачи
получаются многокритериальными, требуют специальных методов их решения и особых вычислительных процедур, в том числе на основе дискретной математики, логической алгебры.
Создание ресурсосберегающих, малоотходных технологий должно базироваться на синтезе технологической структуры, как сложной системы обслуживания, обеспечивающей реализацию целого ряда состояний древесины и измерительных средств. Основой такого синтеза является формализованное описание и последующая оптимизация технологических структур и процессов при трансформации геометрической модели объекта в соответствующую технологическую модель.
Конструкция системного подхода к оптимизации технологической структуры переработки древесины в лесопильных цехах, разработанная на основе взаимосвязи между обрабатываемыми поверхностями заготовок и комплексом технических средств, приведена на рис. 1.
БРЕВНО И ПИЛОПРОДУКЦИЯ
СОВОКУПНОСТЬ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ
< М
н и ч м
и м
i—(
иР I иР
ч м н к
с^ м
го
Множество обрабатываемых поверхностей
Расположение поверхностей
2 Параметры
и размеры
поверхнос
ей
Геометричес кая форма поверхностей
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ
Допустимые отклонения
Качество обработки поверхностей
7
Требуемая спецификация
8
Скорость обработки
ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
КРИТЕРИИ ОГРАНИЧЕНИЯ
а а а а
Выбор оптимальной схемы раскроя
а а а
Требуемые координатные Б \ перемещения
Требуемый режущий В\ инструмент
А В Г
Определение технологических операций
ТА) (Б) (В) (Г)
Выбор технологического оборудования
Б
Выбор механизмов транспортной системы
а а а в а а
Требуемые режимы обработки
А Б Г
Компоновка технологического оборудования
Рис. 1. Общая схема оптимизации технологической структуры лесопиления (1, 2,..., 8, А, Б,
В, Г - взаимосвязи соответствий)
Пиловочник как объект переработки в цехе проходит ряд состояний по изменению формы, размеров, значений параметров поверхностей, в результате получается продукция [1].
Цех представляет собой технологический объект управления, в состав которого входят конечные множества технологических операций и технологического оборудования.
Необходимо на множестве парамет-
ров поверхностей и их значений, множестве технологического оборудования и операций переработки древесины оптимизировать технологическую структуру
ТС ={г, Топ, я} (1)
где То - множество технологического оборудования;
Топ - множество технологических операций, выполняемых в цехе; ¥ - составляющая, обеспечивающая
определение соответствия между множеством технологического оборудования и множеством операций; R - составляющая, обеспечивающая определение порядка технологического оборудования в технологическом процессе.
При этом необходимо соблюдение следующих условий [2, 3]:
1. Значения параметров технологического оборудования ( П^,) должны удовлетворять требуемым значениям параметре
ров поверхностей заготовок (П В е) и из
делий
(П* ),
]тгп
системе
РЕ8тс
технико-
экономических показателей (ПТЭ^) и системе структурно-топологических характеристик (ПИт - избыточность; ПСт - сложность; Пк - компактность; Пц - степень централизации; ПГ - гибкость).
П»;(П* л П" л Пи„ л Пс„ л Птэ„ л Пк„ л Пп„ л П,
ре8ш
) •
где
¥П - отношение одного из видов
^ ={= >, <, >, <}
2. Технологическая структура должна удовлетворять экстремальным значениям показателей эффективности.
3. Последовательность переработки пиловочника не должна противоречить конструктивной совместимости технологического оборудования.
4. Последовательность использования технологического оборудования не должна нарушать технологической упорядоченности.
Достоинством этого метода является его полная формализация, что позволяет его легко автоматизировать и вести поиск лучшего варианта по любому количеству и сочетанию показателей эффективности.
На основе разработанной методики была проведена многоуровневая, многокритериальная оптимизация технологических структур лесопильных цехов малой мощности. По результатам оптимизации разработана общая технология производ-
ства пилопродукции, свойственная большинству предприятий малолесных районов.
Организация производства пиломатериалов следующая. Подача бревен в цех осуществляется двумя подающими транспортерами, каждый из которых обслуживает свою технологическую линию. На первую линию поступают бревна пиловочные диаметром от 36 см, с любыми пороками формы ствола (кривизна, сбег, эллиптичность), а также с внутренними пороками (ядровая гниль) и подаются в запас перед горизонтальным ленточнопильным станком. Полученный брус, толстые доски или горбыли от головного станка поступают на вертикальный делительный лен-точнопильный станок, а необрезные доски толщиной 19 и 25 мм поступают на раскройный участок цеха. На делительном станке брус распиливается на обрезные доски, толстые доски распускаются по ширине на толщину заготовок, а из средней части горбыля выпиливаются узкие доски с одной обрезной кромкой.
На второй технологической линии установлена лесопильная рама, к которой подаются бревна диаметром до 36 см в комле, с кривизной до 3 % и наличием внутренней гнили размером до 0,1 d. Здесь бревна распиливаются в развал на необрезные доски толщиной 19, 25, 40, 60 и 85 мм. Первая и вторая линии связаны между собой поперечным транспортером, что дает возможность распиловки на лесопильной раме брусьев и толстых горбылей, полученных на ленточнопильном станке. Данная связь придает структуре гибкость и возможность комбинирования технологий раскроя.
В зависимости от установленных объемов каждого из видов пилопродукции окончательная обработка происходит следующим образом. При производстве обрезных, необрезных досок (требуемой толщины 25, 40 и 60 мм) и бруса, эти пиломатериалы подаются на торцовочный станок, где обрабатываются и укладываются в штабеля готовой продукции.
При производстве заготовок часть досок толщиной 19, 60, 85 мм поступает на торцовочный станок, где они перерезаются на метровые заготовки. В технологической цепочке с торцовочным станком установлен круглопильный многопильный станок, где метровые заготовки толщиной 60, 85 мм распиливаются по ширине на заготовки толщиной 19 мм, а метровые заготовки толщиной 19 мм распиливаются по ширине на ширину фрезы 60, 85 мм. Окончательная поперечная распиловка метровых заготовок с сформированными размерами ширины и толщины осуществляется на универсальных круглопильных станках.
Предлагаемое размещение оборудования на раскройном участке позволяет производить заготовки и по другой технологии, когда исключается предварительный раскрой на метровые заготовки, а сразу производится продольная распиловка.
Доски с одной обрезной кромкой, полученные в результате распиловки горбыля, поступают на прирезной станок, где распускаются вдоль на ширину заготовок или обрезаются на узкие обрезные доски шириной 60 или 80 мм и длиной от 1 до 4 м.
Производственная мощность технологии до 20000 м3 в год. На ее базе возможно перерабатывать и низкокачественное лиственное сырье, и при этом производить достаточно качественную продукцию широкого ассортимента.
Разработанный технологический процесс переработки древесины обладает достаточной гибкостью и позволяет перерабатывать сырье с широким диапазоном размерно-качественных параметров (бревна диаметром до 1 м, длиной от 3 м, с любыми пороками формы ствола, а также с внутренней гнилью).
Используя структурно-топологические показатели и вычислительные методы их оценки [2], проведена количественная оценка ряда технологических структур производства по таким показателям как структурная избыточность, структурная сложность, структурная компактность, степень централизации и структурная гибкость.
Структурная избыточность изменяется в пределах КИ=0,12.. .1,93 (оптимально КИ=1,0), что говорит о проблемах в подборе оборудования относительно обрабаты-
ваемого сырья и требований к продукции по качеству. В среднем оборудование остается загруженным только на 38...55 % мощности, что существенно отражается на технико-экономических показателях производства. Сложность структур находится на уровне Кс=2,45...2,55, откуда можно заключить, что глубина переработки древесного сырья невысока. Данные технологические структуры являются структурами невысокой сложности, а элементы структур (оборудование) загружены неравномерно. Гибкость исследованных структур колеблется в пределах от Дя=0,16..Д32, что характеризует производство как узконаправленное, ориентированное на выпуск пиломатериалов 2-3х типоразмеров при объемном выходе продукции, не превышающем 55 %.
Структурная компактность (Кк=1,15) и степень централизации (Кц=1,1) для исследованных структур близки к оптимальным величинам. Это говорит о небольших объемах переработки древесины на малых производственных мощностях.
Для всех исследованных структур лесопиления были разработаны проекты реконструкции цехов и даны рекомендации по режимам работы в зависимости от спецификации заказа на пилопродукцию.
Предлагаемый метод и разработан-
ные на его основе алгоритмы, которые реализованы в программной среде «С++», могут найти широкое применение для проектирования и оценки технологических структур не только в лесопильном производстве, но и в других отраслях промышленности, где в основе производства лежит геометрия сырья и изделия.
Библиографический список
1. Пошарников Ф.В., Черных А.С. Пути повышения выхода пиломатериалов при переработке древесины от рубок ухода / Вестник МГУЛ, № 3, МГУЛ. 2006. С. 147-150.
2. Пошарников Ф.В., Черных А.С. Оценка эффективности лесопильного производства методами дискретного программирования // Вестник МГУЛ, № 6, МГУЛ. 2006. С. 112-118.
3. Shernih, A.S. Multiple projection of flexible economical techniques of wood processing under condition of a competition in saw production markets // Third Balkan scientific conference: study, conservation and utilization of forest resources, Volume IV, Sofia. 2...6 October, 2001. S. 124...129.
